我们正在一台机器上执行以下指令
如果机器是流水线的，大约需要 200 ps * 3 = 600 ps。
如果流水线机器运行 1,000,003 条指令，我想知道执行时间是多少？是 1,000,000 * 200 ps + 600 ps？
【问题讨论】：
标签： mips computer-science cpu-architecture instructions pipelining
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，但让我们[至少暂时]忽略它。
这里的问题是图表显示了各种类型指令的时间[对于每个 T 状态 T1-T5]，但是没有示例程序可以执行，除非图表也是循环的示例。如果是这种情况，请继续...
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“停止”，因为它取决于先前指令的输出。例如：
L1: add $t1,$t2,$t3
L2: add $t6,$t4,$t1
第二条指令必须停止其“寄存器读取”(T2)，因为它必须等待前一条指令的“寄存器写入”(T5) 阶段完成[因为它需要$t1 的最终值]。
所以，而不是像这样表现良好的管道：
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
我们最终得到：
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
在现代实现中，有一些架构技术可以避免这种情况（例如“转发”、无序执行），但我们必须了解特定的架构实现才能知道它有哪些工具来缓解风险。
我最好的猜测如下...
再一次，如果我们忽略危险，我们需要一个特定的程序/序列来进行计算。
如果我们假设程序是图表，对于 1,000,000 条指令，它的循环迭代次数是 1,000,000 / 4 或 250,000。而且...我们也忽略了分支延迟槽。
一个循环迭代的时序图如下：
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
请注意，所有指令都在 L4 之前完成。因此，主导时间是 L4 的结束时间。因此，250,000 * 1100 ps 或 275 我们，或多或少。
更新：
但我的教授告诉我答案是 1,000,000 * 200 ps + 1400 ps
好吧，你应该 [显然 ;-)] 相信你的教授而不是我 [我确实强调“猜测”]。
但是，再一次，我们必须知道实现：分支预测等。我假设第二个循环的 L1 无法启动，直到循环 1 的 L4 完成。
如果循环/序列完全展开 [并且没有分支]，例如 lw, sw, R, R 重复 250,000 次，它将是 1,000,000 * 200 ps，IMO。
我认为 prof 的分析假设 L1 的 T1 for loop 2 可以与 L4 的 T2 for loop 1 同时开始。
一个有用的序列示例可能是具有重叠源/目标的memmove 序列[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，这假设 没有个分支延迟槽。为了使这项工作与他们不只需附加一个nop，序列将是L1, L2, L4, L3
但是，我只是重读了细则：这个计算假设多路复用器、控制单元、PC 访问和符号扩展单元没有延迟。
所以，这可能是为什么存在/曾经存在差异的关键。再次重申，如有疑问，请相信您的教授。
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