4流水线性能评估

4.1吞吐率TP

        吞吐率是指单位时间内流水线所完成的任务数或输出结果的数量。

4.1.1最大吞吐率TPmax 

        最大吞吐率是指流水线在连续流动达到稳定状态后所得到的吞吐率。若流水线各段的时间相等，均为△t0 ， 则： 

TPmax＝ 1 /△t0

        若流水线各段的时间不等，则：

TPmax＝ 1 /max{△ti}

        因此最大吞吐率取决于流水线中最慢的一段所需的时间，这段就成了流水线的瓶颈。消除瓶颈的方法一般有两种：细分瓶颈段和重复设置瓶颈段，如下图所示：

 

4.1.2实际吞吐率TP

        流水线的实际吞吐率小于最大吞吐率。因此分两种情况考虑：

第一种情况：各段时间相等（设为△t0），假设流水线由 m 段组成，完成 n 个任务，时空图如下所示。则完成 n 个任务所需的时间为：

　 T流水＝m△t0＋(n－1)△t0 

 

        因此实际吞吐率

TP = n/T流水 =n/(m△t0＋(n－１)△t0)=TP/(1+(m-1)/n)

TP ＜ TPmax

当n >> m 时，TP ≈TPmax

第二种情况：各段时间不等，完成 n 个任务所需的时间

　 T流水＝∑△ti＋(n－1)△tj   △tj＝max{△ti }

        实际吞吐率为：

TP=n/(∑ △ti＋(n－1)△tj )

4.2加速比S

        加速比是指流水线的速度与等功能非流水线的速度之比。

  S＝T非流水／T流水

（其中T流水和T非流水分别为按流水和按非流水方式处理 n 个任务所需的时间）

     若流水线为 m 段，且各段时间相等，均为△t0 ，则：

    T非流水＝n m△t0                   

    T流水＝m△t0＋(n－1)△t0   

 

        因此S= T非流水/ T流水=m/(1+(m-1)/n)

        可以看出：当n >> m 时，S ≈ m

4.3效率E

效率是指流水线的设备利用率。

由于流水线有通过时间和排空时间，所以流水线的各段并不是一直满负荷地工作。

故：E ＜1

 

4.3.1若各段时间相等，则各段的效率ei相等

    即e1＝e2 ＝e3＝em＝n△t0／T流水  (解释) 

    整个流水线的效率为: E=1/(1+(m-1)/n)

当 n >> m 时，E ≈ 1

从时－空图上看，效率实际上就是 n 个任务所占的时空区与 m 个段总的时空区之比。

 

4.3.2提高流水线效率所采取的措施对于提高吞吐率也有好处