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流水线与 CPU 时钟频率(四)

归档日期:06-28       文本归类:指令流水线      文章编辑:爱尚语录

  首先,它或许确实不会更快,但我们可以在包装盒上写上“4 Hz”而不是“1 Hz”。很不幸,数字是一个卖点。给一个电脑盲出示一个 4 Hz 的处理器和一个 1 Hz 的处理器,他将认为 4 Hz 的那一个更快,即使事实并非如此。

  其次,也是更重要的,我们实际上还是能够利用流水线的优势,因此,毕竟能够使处理器运行的更快。但是怎么做呢?

  举个例子,我们考虑一下汽车工厂的装配线。首先我们要做的就是把钢架焊接到一起。一旦焊接完毕之后,钢架向前传递,我们可以开始安装侧面板。完成之后,车身可以继续向前传递进行其它处理。

  现在,让我们联系汽车装配线来类推一下,我们前面的那个四-段流水线模型有点小小的失误。这个错误就是:我们假定我们的处理器同时只能处理提取、译码、执行“或者”存储中的一项工作。因此,它首先提取,然后译码,接着执行,最后存储。这就好比是我们的汽车车间只有一名工人,他跑来跑去,先焊接,再上螺丝,接着安装轮胎,等等。

  实际上,我们的处理器能够同时处理提取、译码、执行“以及”存储 —— 就象是在一个汽车车间,同时有许多工人在不断地焊接、上螺丝、安装轮胎。一旦第一个工人焊好了钢架(提取指令),他会坐在那里发呆,直到这辆车装好侧面板(译码)等等工作吗?他一完成,就把这辆车传给下一个工人,并且马上开始焊接“下一辆”车的骨架。

  事实上,流水线的不同段更象是工人们本身。这就是说,有一个提取单元,一个译码单元,一个执行单元,等等,每一个操作都占用处理器的一个时钟频率。没有哪一个单元做全部四件事情,一个接一个,每一段都是一个独立的单元。在前面,我们假设提取单元在一个时钟周期内提取指令,然后在其它每个单元完成它们那部分工作时什么事都没做。但是,就象装配线上焊钢架的工人,提取单元并没有在那儿发呆直到执行和存储单元工作完毕,它立刻开始提取下一条指令了!看一看下面这张图表:

  第一个时钟周期之后(1/4 秒,@ 4 Hz),提取 瓿闪说谝惶踔噶畹墓ぷ鳎阉桓肼氲ピ谙乱桓鍪敝又芷诮写怼5牵崛〉ピ⒚挥性谀嵌却⒓纯继崛〉诙踔噶睢U庋龅慕峁牵谝惶踔噶钊匀恍枰母鍪敝又芷诓拍芡瓿桑且院笕茨苊恳桓鍪敝又芷诙纪瓿梢惶踔噶睢#ǖ比唬导是榭鲆日飧丛拥亩?..)

  因此,在 10 秒钟时间段里(40 个时钟周期),我们的 4 Hz、4-段流水线处理器实际上将处理完 37 条指令(四个周期完成第一条指令,后来的 36 个周期每个周期完成一条指令),并不是我们前面预测的 10 条指令。这实际上是说,我们的四-段流水线处理器的 IPC 大约是每个时钟周期 0.9 条指令,比我们前面说的0.25 要大得多(显然比无流水线 IPC 还是要小一点)。虽然 IPC 要比 1 Hz 无流水线%,但是时钟频率要快上 400%,因此我们的四-段流水线处理器实际上还是一个快的多的设计。

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