CPU 流水线：如何找到平均指令执行时间答案

【问题标题】：CPU Pipeline: How to find average instruction execution timeCPU 流水线：如何找到平均指令执行时间
【发布时间】：2017-06-02 07:01:06
【问题描述】：

在具有由获取、解码、执行和写入组成的四 (4) 级管道的 CPU 中后面，每个阶段分别需要 10、6、8 和 8 ns。以下哪一项是 CPU 中以纳秒 (ns) 为单位的近似平均指令执行时间？在这里，要执行的指令数量足够多。此外，开销为流水线过程可以忽略不计，并且忽略所有危险的延迟影响。

a) 6 b) 8 三）10 d) 32

答案是 10ns。但我认为它可能是 8ns，因为执行阶段需要 8ns。请简单解释一下。谢谢

【问题讨论】：

标签： pipeline cpu-architecture

【解决方案1】：

每条指令都必须经过四个阶段。一旦流水线满了，指令的进出流由最长阶段的持续时间决定：

             Fetch|Decode|Exec|Write|
             10ns | 6ns  |8ns | 8ns |
             -----+------+----+-----+
I7 I6 I5 -->  I4  : I3   : I2 : I1    --> out
             -----+------+----+-----+

I1..I7 are instructions. I1..I4 are in the pipeline, I5..I7 are
waiting to enter the pipeline.

6ns 后，I3 准备好从 Decode 移动到 Exec，但由于阶段 Exec 仍被 I2 占用而无法移动
再过 2ns（总共 8ns）后，I1 移出 Write，I2 从 Exec 移到 Write，I3 终于可以从 Decode 移到 Exec
I4还在阻塞Fetch，所以I5无法进入
再过 2ns（总共 10ns）后，I4 从 Fetch 移动到 Exec，并且 I5 可以进入。

您会看到管道停止，直到最长的阶段完成；每 10ns 一条指令进入流水线。（Decode 阶段将有 40% 的时间空闲，Exec 和 Write 阶段有 20% 的时间。）

【讨论】：

【解决方案2】：

在流水线的情况下，“产生输出的速率”由最慢的阶段决定。不管管道的其余部分工作多快，事情都受速率解码器操作的约束。因此，我们可以期望流水线每 10 ns 产生一个输出。 “产生输出的速率”可以解释为平均执行时间。所以它是 10 ns。

【讨论】：