Cykly podle instrukce - Cycles per instruction

V počítačové architektuře jsou cykly na instrukci (aka hodinové cykly na instrukci , hodiny na instrukci nebo CPI ) jedním z aspektů výkonu procesoru : průměrný počet hodinových cyklů na instrukci pro program nebo fragment programu. To je multiplikativní inverzní of instrukcí za cyklus .

Definice

Průměr cyklů na instrukci v daném procesu je definován následujícím:

${\ displaystyle CPI = {\ frac {\ Sigma _ {i} (IC_ {i}) (CC_ {i})} {IC}}}$

Kde je počet instrukcí pro daný typ instrukce , jsou hodinové cykly pro daný typ instrukce a je celkový počet instrukcí. Souhrnné součty za všechny typy instrukcí pro daný srovnávací proces. ${\ displaystyle IC_ {i}}$${\ displaystyle i}$${\ displaystyle CC_ {i}}$${\ displaystyle IC = \ Sigma _ {i} (IC_ {i})}$

Vysvětlení

Předpokládejme klasický kanál RISC s následujícími pěti fázemi:

1. Cyklus načítání instrukcí (IF).
2. Instrukční dekódování/Registrace cyklu načítání (ID).
3. Provedení/efektivní adresní cyklus (EX).
4. Přístup do paměti (MEM).
5. Cyklus zpětného zápisu (WB).

Každá fáze vyžaduje jeden hodinový cyklus a instrukce prochází fázemi postupně. Bez pipeliningu ve vícecyklovém procesoru je nová instrukce načtena ve fázi 1 až poté, co předchozí instrukce skončí ve fázi 5, proto je počet hodinových cyklů potřebných k provedení instrukce pět (CPI = 5> 1). V tomto případě je procesor údajně podkalární . S pipeliningem se nová instrukce získává každý hodinový cyklus využíváním paralelismu na úrovni instrukcí , a protože teoreticky lze mít pět instrukcí v pěti fázích potrubí najednou (jedna instrukce na fázi), každá instrukce by dokončila fázi 5 v každé hodinový cyklus a v průměru je počet hodinových cyklů potřebných k provedení instrukce 1 (CPI = 1). V tomto případě je procesor údajně skalární .

S procesorem s jednou prováděcí jednotkou je nejlepší dosažitelný CPI 1. S procesorem s více výkonnými jednotkami však lze dosáhnout ještě lepších hodnot CPI (CPI <1). V tomto případě je procesor údajně superskalární . Abyste získali lepší hodnoty CPI bez pipeline, musí být počet prováděcích jednotek větší než počet fází. Například se šesti prováděcími jednotkami je šest nových instrukcí načteno ve fázi 1 až poté, co šest předchozích instrukcí skončí ve fázi 5, proto je v průměru počet hodinových cyklů potřebných k provedení instrukce 5/6 (CPI = 5/ 6 <1). Abyste dosáhli lepších hodnot CPI pomocí potrubí, musí existovat alespoň dvě prováděcí jednotky. Například se dvěma prováděcími jednotkami jsou v každém hodinovém cyklu načteny dvě nové instrukce využíváním paralelismu na úrovni instrukcí, takže dvě různé instrukce by dokončily fázi 5 v každém hodinovém cyklu a průměrně počet hodinových cyklů potřebných k provedení instrukce je 1/2 (CPI = 1/2 <1).

Příklady

Příklad 1

Pro vícecyklové MIPS existuje pět typů pokynů:

• Zatížení (5 cyklů)
• Store (4 cykly)
• Typ R (4 cykly)
• Pobočka (3 cykly)
• Skok (3 cykly)

Pokud program má:

• Pokyny pro 50% zatížení
• 25% návod k uložení
• Pokyny typu 15% R.
• 8% pokyny k pobočce
• 2% pokyny ke skoku

pak CPI je:

${\ displaystyle {\ text {CPI}} = {\ frac {5 \ times 50+4 \ times 25+4 \ times 15+3 \ times 8+3 \ times 2} {100}} = 4,4}$

Příklad 2

400 MHz procesor byl použit ke spuštění programu referenční s tímto návodem k mixu a taktu počtu:

Pokyn TYP	Počet instrukcí	Počet hodinového cyklu
Celočíselná aritmetika	45 000	1
Přenos dat	32 000	2
Plovoucí bod	15 000	2
Ovládací přenos	8000	2

Určete efektivní CPI, MIPS (miliony instrukcí za sekundu) a dobu provádění tohoto programu.

${\ displaystyle {\ text {CPI}} = {\ frac {45000 \ times 1+32000 \ times 2+15000 \ times 2+8000 \ times 2} {100000}} = {\ frac {155000} {100000}} = 1,55}$

${\ displaystyle 400 \, {\ text {MHz}} = 400 000 000 \, {\ text {Hz}}}$

od: a${\ displaystyle {\ text {MIPS}} \ propto 1/{\ text {CPI}}}$${\ displaystyle {\ text {MIPS}} \ propto {\ text {taktovací frekvence}}}$

${\ displaystyle {\ text {Efektivní výkon procesoru}} = {\ text {MIPS}} = {\ frac {\ text {frekvence hodin}} {\ text {CPI}}} \ times {\ frac {1} {\ text {1 milion}}}}$${\ displaystyle = {\ frac {400 000 000} {1,55 \ times 1000000}} = {\ frac {400} {1,55}} = 258 \, {\ text {MIPS}}}$

Proto:

${\ displaystyle {\ text {Execution time}} (T) = {\ text {CPI}} \ times {\ text {Instruction count}} \ times {\ text {clock time}}} = {\ frac {{\ text {CPI}} \ times {\ text {Instruction Count}}} {\ text {Frequency}}}}$${\ displaystyle = {\ frac {1,55 \ times 100000} {400 \ times 1000000}} = {\ frac {1.55} {4000}} = 0,0003875 \, {\ text {sec}} = 0,3875 \, {\ text { slečna}}}$

Viz také

• Cyklus za sekundu ( Hz )
• Pokyny za cyklus (IPC)
• Pokyny za sekundu (IPS)
• Megahertzský mýtus
• MIPS
• Benchmark článek poskytuje užitečný úvod do měření výkonu počítače pro ty čtenáře, kteří mají zájem o danou problematiku.

Reference