单周期处理器的性能

Question

假设：

1. 所需的操作时间：

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

2. ps中的指令组合和操作时间：

   • 25％负荷（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. 两种实施方式：固定长度和可变长度

哪种实施会更快，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：

• 当实现具有可变/固定长度时，它意味着什么？

• 如何计算 CPU执行时间 _singleclock 的值？

Answer 1

  

当实现具有可变/固定长度时，它意味着什么？

固定长度时钟意味着每个时钟周期具有相同的周期，而与执行指令无关。可变长度时钟意味着不同的时钟周期可能具有不同的周期，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，这是执行任何指令所需的最长时间（加载指令）。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 _singleclock   计算

要确定哪个实施更快，您需要测量加速，定义为：

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

使用我们获得的CPU执行时间的定义（注意指令的数量是相同的）：

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

可变时钟设计的速度提高了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个执行指令的各个时钟周期时间之和。但我们使用平均时钟周期时间来计算加速。我们会以哪种方式获得相同的结果？让我们找出来吧！

假设有N个执行指令，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

所以他们是一样的。