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指令平均周期数：修订间差异

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'''每指令周期'''（{{lang-en|Cycle Per Instruction, CPI}}），即执行一条指令所需要的时钟周期（机器主频的倒数）数<ref>{{Cite book|title=计算机组成与设计|last=王换招编著|first=|publisher=北京：清华大学出版社|year=2013.08|isbn=978-7-302-32884-1|location=|pages=28}}</ref>。
'''指令平均周期数'''（{{lang-en|Cycle Per Instruction, CPI}}），也称'''每指令周期'''，即执行在计算机体系结构中一条指令所需要的平均时钟周期（机器主频的倒数）数<ref>{{Cite book|title=计算机组成与设计|last=王换招编著|first=|publisher=北京：清华大学出版社|year=2013.08|isbn=978-7-302-32884-1|location=|pages=28}}</ref>。


其方程如下：
其方程为：<math>
⚫
<math>
CPI = \frac{\Sigma_i(IC_i)(CC_i)}{IC}
CPI = \frac{\Sigma_i(IC_i)(CC_i)}{IC}
</math>
</math>

其中<math>IC_i</math>是第i种指令的数量，<math>CC_i</math>是第i种指令的时钟周期数，<math>IC=\Sigma_i(IC_i)</math>是总的指令数，对于一个给定的基准测试过程，总和为所有指令类型。


一个完整的计算机系统执行时间，即指令周期指从内存中取出并执行该条指令所用的全部时间，它取决于硬件结构和各部件的性能<ref>{{Cite book|title=计算机组成与设计|last=王换招编著|first=|publisher=北京：清华大学出版社|year=2013.08|isbn=978-7-302-32884-1|location=|pages=27}}</ref>。
一个完整的计算机系统执行时间，即指令周期指从内存中取出并执行该条指令所用的全部时间，它取决于硬件结构和各部件的性能<ref>{{Cite book|title=计算机组成与设计|last=王换招编著|first=|publisher=北京：清华大学出版社|year=2013.08|isbn=978-7-302-32884-1|location=|pages=27}}</ref>。

==解释==
假设目前为{{link-en|经典RISC流水线|Classic RISC pipeline}}，执行一条指令一般分为五个阶段：
#取指周期
#译码周期
#执行周期
#访问内存
#写回周期

每一条指令都需要顺序经过这五个步骤，每个需要一个[[时钟周期]],如果在一个没有流水线技术的处理器中，只有当前一条指令的第五阶段执行完，下一条指令的第一阶段才会开始运行，因此，每执行一条指令的时钟周期就是5（CPI=5），这种情况下，处理器被称为亚标量的。在有流水线技术的处理器中，通过利用[[指令级并行]]，每一个时钟周期，都有一条指令被取得。因此，因为在理论上同一时刻，在流水线的五个周期上有五个不同的指令，所以在每一个时钟周期中，都会有一个指令完成第五阶段，所以平均执行每一条指令的时钟周期就是1（CPI=1），这样的处理器称为标量处理器

==示例==
===示例1===

对于多周期[[MIPS架构]],有以下五种指令：
*Load(5周期)
*Store(4周期)
*R_type(4周期)
*Branch(3周期)
*Jump(3周期)

如果程序中有

*50% load 指令
*25% store 指令
*15% R-type 指令
*8% branch 指令
*2% jump 指令

其CPI为
⚫
<math>
\text{CPI} = \frac{5 \times 50 + 4 \times 25 + 4 \times 15 + 3 \times 8 + 3 \times 2}{100} = 4.4
</math>



==参考==
==参考==
{{reflist}}
{{reflist}}

⚫
[[Category:電腦]]
{{CPU technologies}}
{{Authority control}}
{{DEFAULTSORT:Cycles Per Instruction}}
[[Category:指令处理]]
[[Category:率]]
⚫
[[Category:電腦性能]]
[[Category:時脈訊號]]

2023年1月30日 (一) 08:03的最新版本

指令平均周期数（英語：Cycle Per Instruction, CPI），也称每指令周期，即执行在计算机体系结构中一条指令所需要的平均时钟周期（机器主频的倒数）数[1]。

其方程为：

其中是第i种指令的数量，是第i种指令的时钟周期数，是总的指令数，对于一个给定的基准测试过程，总和为所有指令类型。

一个完整的计算机系统执行时间，即指令周期指从内存中取出并执行该条指令所用的全部时间，它取决于硬件结构和各部件的性能[2]。

解释

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假设目前为经典RISC流水线（英语：Classic RISC pipeline），执行一条指令一般分为五个阶段：

  1. 取指周期
  2. 译码周期
  3. 执行周期
  4. 访问内存
  5. 写回周期

每一条指令都需要顺序经过这五个步骤，每个需要一个时钟周期,如果在一个没有流水线技术的处理器中，只有当前一条指令的第五阶段执行完，下一条指令的第一阶段才会开始运行，因此，每执行一条指令的时钟周期就是5（CPI=5），这种情况下，处理器被称为亚标量的。在有流水线技术的处理器中，通过利用指令级并行，每一个时钟周期，都有一条指令被取得。因此，因为在理论上同一时刻，在流水线的五个周期上有五个不同的指令，所以在每一个时钟周期中，都会有一个指令完成第五阶段，所以平均执行每一条指令的时钟周期就是1（CPI=1），这样的处理器称为标量处理器

示例

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示例1

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对于多周期MIPS架构,有以下五种指令：

  • Load(5周期)
  • Store(4周期)
  • R_type(4周期)
  • Branch(3周期)
  • Jump(3周期)

如果程序中有

  • 50% load 指令
  • 25% store 指令
  • 15% R-type 指令
  • 8% branch 指令
  • 2% jump 指令

其CPI为


参考

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  1. ^ 王换招编著. 计算机组成与设计. 北京：清华大学出版社. 2013.08: 28. ISBN 978-7-302-32884-1. 
  2. ^ 王换招编著. 计算机组成与设计. 北京：清华大学出版社. 2013.08: 27. ISBN 978-7-302-32884-1. 


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