备考预习笔记（计算机结构+流水线）

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• 主机 = 主存储器 + CPU

运算器

• ① 算术逻辑单元 ALU （运算相关）
• ② 累加寄存器 AC （不仅加法，减法也需要用到）
• ③ 数据缓冲寄存器 DR （对类存储器读写操作时，用来暂存数据）
• ④ 状态条件寄存器 PSW （存储在运算过程中相关的标志位）

控制器

• ① 程序计数器 PC （用于存放执行指令的地方）
• ② 指令寄存器 IR （中央处理器控制部件中的寄存器）
• ③ 指令译码器
• ④ 时序部件

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流水线

概念

• 流水线是指在程序执行时多条指令重叠进行操作的一种准并行处理实现技术。各种部件同时处理是针对不同指令而言的，它们可同时为多条指令的不同部分进行工作，以提高各部件的利用率和指令的平均执行速度

• 执行一条指令的步骤

  
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  未使用流水线
  使用流水线

流水线计算

周期计算

• 流水线周期： 执行时间最长的一段
• 计算公式

指令执行总时间 = 1条指令执行时间 + (指令条数-1) * 流水线周期
①理论公式：(t1 + t2 + ... + tk) + (n-1) * △t
②实践公式： (k + n - 1) * △t

k: 执行片段, 这里为 3
n: 指令数量
△t: 指令周期

• 例题：

  
  例题

• 解答

由于三个阶段的时间为 2ns、 1ns、2ns， 那么流水线周期为 2ns
k = 3, n = 100, △t = 2
理论公式 ： (2+1+2) + (100-1)*2 = 203
实践公式 ： (3+100-1) *2 = 204  （80%以这个为准）

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吞吐率计算

• 吞吐率：是指在单位时间内流水线所完成的任务数量或输出的结果数量

  
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• 最大吞吐率

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吞吐率： 100 / 203
最大吞吐率： 1 / 2

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加速比计算

• 加速比：完成同样一批任务。不使用流水线所用的时间与使用流水线所用的时间之比称为流水线的加速比

加速比

不使用流水线： (2+1+2) * 100 = 500
使用流水线： 203
加速比 = 500 / 203 = 2.46

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效率计算

• 流水线的效率： 指流水线的设备利用率， n个任务占用的时空区与k个流水段总的时空区之比

  
  流水线的效率

例题

n个任务所占的总时空 = (△t + △t + △t + 3△t) * 4 = 24△t
k个流水段的总的时间区 = 15△t * 4△t = 60△t
流水线效率E = 24△t / 60△t = 40%

END