如何查找流水线机器的执行时间？

Question

我们在机器上执行以下指令

如果机器是流水线式的，则需要大约200 ps * 3 = 600 ps。

如果流水线机器运行1,000,003条指令，我希望执行时间是多少？它是1,000,000 * 200 ps + 600 ps？

Answer 1

该图适用于经典的5级MIPS流水线架构。现代芯片使用超标量设计，但我们忽略[至少现在]。

这里的问题是，该图显示了各种类型的指令[对于每个T状态T1-T5]的时间，但是没有示例程序要执行，除非该图也是循环的示例。如果是这样，继续...

另一个问题是管道“危险”。也就是说，特定指令的特定阶段（T状态）必须“停顿”，因为它取决于先前指令的输出。例如：

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

第二个指令必须拖延其“寄存器读取”（T2），因为它必须等待前一指令的“寄存器写入”（T5）阶段的完成，完成，[因为它需要最终值为$t1]。

因此，而不是像一个讨人喜欢管道：

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 

我们结束：

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 

在现代的实现，也有建筑技术，以避免这种情况（例如，“转发”，乱序执行），但是我们必须知道特定的体系结构实现，以了解它具有哪些工具来缓解危害。

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我最好的猜测是如下...

再次，如果我们忽视的危害，我们需要一个特定的程序/顺序上做了计算。

如果我们假设程序是图表，对于1,000,000条指令，其循环迭代次数为1,000,000/4或250,000。而且...我们也忽略了分支延迟槽。

为一个循环迭代中的时序图的样子：

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样。所以，主导时间是L4的结束时间。因此，250,000 * 1100 ps或275 us，或多或少。

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UPDATE：

但是我的教授告诉我答案为100万* 200 PS + 1400个PS

那么，你应该[显然;-)]相信你的教授不是我[我确实强调“猜测”]。

但是，我们再次必须知道实现：分支预测等。在第1个循环中，假设第1个循环中的L1不能启动，直到循环1中的L4完成。

如果循环/序列被完全展开[和没有分支]，如lw, sw, R, R重复25万次，它将是1,000,000 * 200 ps，IMO。

我认为教授的分析假定L1的T1为环2可以就并发与L4的T2 for循环1.

一个例子有用序列可以是memmove序列重叠源/目的地[寄存器已经预设]：

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

再次，这假定没有分支延迟槽。为了使这项工作与他们不只是追加nop，序列将L1, L2, L4, L3

不过，我只是重读小字：这种计算假设多路复用器，控制单元，PC访问，并且符号扩展单元没有延迟。

因此，这可能是为什么存在/有差异的关键。如果有疑问，再次相信你的教授。