单周期处理器的性能

Question

鉴于：

1. 需要的操作时间：

   • 内存单位：200 ps
   • ALU 和加法器：100 ps
   • 注册文件：50 ps
   • 其他单元和电线：没有延迟

2. ps指令组合及运算时间：

   • 25% 负载 (600 ps)

   • 10% 存储 (550 ps)

   • 45% ALU 指令 (400 ps)

   • 15% 分支 (350 ps)

   • 5% 跳跃 (200 ps)

3. 每条指令在 1 个时钟周期内执行

4. 两种实现方式：定长和变长

哪种实现会更快？速度会快多少？

Solution

Reference Table

规则：CPU执行时间：IC * CPI * CCT

由于 CPI = 1...

CPU 执行时间：IC * CCT

我的问题是：

• 实现具有可变/固定长度意味着什么？

• CPU 执行时间_singleclock 的值是如何计算的？

Answer 1

实现具有可变/固定长度意味着什么？

固定长度时钟意味着每个时钟周期具有相同的周期，与正在执行的指令无关。可变长度时钟意味着不同的时钟周期可能有不同的周期，具体取决于正在执行的指令。

因此，在固定时钟设计中，时钟周期必须至少为 600 ps，这是执行任何指令（加载指令）所需的最长时间。在可变时钟设计中，我们可以按如下方式计算平均时钟周期：

Average CPU clock cycle = 600*25% + 550*10% + 400*45% + 350*15% + 200*5% = 447.5 ps

CPU 执行时间的值如何_singleclock 计算出来的？

要确定哪种实现更快，您需要衡量加速比，其定义为：

Speedup = CPU execution time(single) / CPU execution time(variable)

使用我们得到的CPU执行时间的定义（注意指令数是一样的）：

Speedup = CPU execution time(single) / CPU execution time(variable)
        =  (Instruction count * Clock cycle time(single)) / (Instruction count * Clock cycle time(variable))
        = Clock cycle time(single) / Clock cycle time(variable)
        = 600 / 447.5 = 1.34

Se 可变时钟设计快 1.34。

关于 CPU 执行时间_变量

CPU 执行时间_变量 在技术上等于每条执行指令的各个时钟周期时间的总和。但我们使用平均时钟周期时间来计算加速。无论哪种方式，我们都会得到相同的结果吗？一起来了解一下吧！

假设有 N 条执行指令，让 C1, C2, ..., CN 分别表示每个指令的循环时间。因此：

CPU execution time(variable) = C1 + C2 + ... + CN
                             = 600*25%*N + 550*10%*N + 400*45%*N + 350*15%*N + 200*5%*N
                             = N * average CPU clock cycle

所以它们是一样的。