如何查找流水線機器的執行時間？

Question

我們在機器上執行以下指令

如果機器是流水線式的，則需要大約200 ps * 3 = 600 ps。

如果流水線機器運行1,000,003條指令，我希望執行時間是多少？它是1,000,000 * 200 ps + 600 ps？

Answer 1

該圖適用於經典的5級MIPS流水線架構。現代芯片使用超標量設計，但我們忽略[至少現在]。

這裏的問題是，該圖顯示了各種類型的指令[對於每個T狀態T1-T5]的時間，但是沒有示例程序要執行，除非該圖也是循環的示例。如果是這樣，繼續...

另一個問題是管道「危險」。也就是說，特定指令的特定階段（T狀態）必須「停頓」，因爲它取決於先前指令的輸出。例如：

L1: add $t1,$t2,$t3 
L2: add $t6,$t4,$t1 

第二個指令必須拖延其「寄存器讀取」（T2），因爲它必須等待前一指令的「寄存器寫入」（T5）階段的完成，完成，[因爲它需要最終值爲$t1]。

因此，而不是像一個討人喜歡管道：

1:  L1:T1 
2:  L1:T2  L2:T1 
3:  L1:T3  L2:T2 
4:  L1:T4  L2:T3 
5:  L1:T5  L2:T4 
6:     L2:T5 

我們結束：

1:  L1:T1 
2:  L1:T2  L2:T1 
3:  L1:T3  L2:stall 
4:  L1:T4  L2:stall 
5:  L1:T5  L2:stall 
6:     L2:T2 
7:     L2:T3 
8:     L2:T4 
9:     L2:T5 

在現代的實現，也有建築技術，以避免這種情況（例如，「轉發」，亂序執行），但是我們必須知道特定的體系結構實現，以瞭解它具有哪些工具來緩解危害。

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我最好的猜測是如下...

再次，如果我們忽視的危害，我們需要一個特定的程序/順序上做了計算。

如果我們假設程序是圖表，對於1,000,000條指令，其循環迭代次數爲1,000,000/4或250,000。而且...我們也忽略了分支延遲槽。

爲一個循環迭代中的時序圖的樣子：

label inst start exec end 
       time time time 
----- ---- ----- ---- ---- 

L1:  lw  0  800  800 
L2:  sw  200  700  900 
L3:  R  400  600  1000 
L4:  beq  600  500  1100 

注意，L4之前完成所有指令一樣。所以，主導時間是L4的結束時間。因此，250,000 * 1100 ps或275 us，或多或少。

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UPDATE：

但是我的教授告訴我答案爲100萬* 200 PS + 1400個PS

那麼，你應該[顯然;-)]相信你的教授不是我[我確實強調「猜測」]。

但是，我們再次必須知道實現：分支預測等。在第1個循環中，假設第1個循環中的L1不能啓動，直到循環1中的L4完成。

如果循環/序列被完全展開[和沒有分支]，如lw, sw, R, R重複25萬次，它將是1,000,000 * 200 ps，IMO。

我認爲教授的分析假定L1的T1爲環2可以就併發與L4的T2 for循環1.

一個例子有用序列可以是memmove序列重疊源/目的地[寄存器已經預設]：

L1:  lw  $t0,4($t1) 
L2:  sw  $t0,0($t1) 
L3:  addu $t1,$t1,$t2 
L4:  bne  $t1,$t3,L1 

再次，這假定沒有分支延遲槽。爲了使這項工作與他們不只是追加nop，序列將L1, L2, L4, L3

不過，我只是重讀小字：這種計算假設多路複用器，控制單元，PC訪問，並且符號擴展單元沒有延遲。

因此，這可能是爲什麼存在/有差異的關鍵。如果有疑問，再次相信你的教授。