流水线中的时钟周期和单时钟周期实现

Question

有两种执行指令的机制。

1. 单时钟周期实现
2. 管道

在MIPS体系结构（摘自《计算机组织与设计》一书）中，教学分为5个阶段。

因此，在单时钟周期实现中，这意味着在一个时钟周期内，一条指令执行5个阶段。

例如，加载指令（有5个阶段）在一个时钟周期内执行。因此，在这一个时钟周期之后可以执行其他指令。让我们假设一个时钟周期是10秒。

现在，在流水线中，多条指令可以重叠。与上面示例中的一个时钟周期的时间相比，我对这个概念感到困惑。

在这里执行5条指令，需要9个时钟周期。意思是执行5条指令，需要90秒。但是在单个时钟周期实现中，执行5条指令只需要50秒。流水线需要更多的时钟周期。（不好）我想错了吗？？或者我错过了什么？？

在这里，要执行第一条指令，需要50秒？？

Answer 1

我认为您的主要误解是您认为两种设计中时钟周期的持续时间是相同的，事实并非如此。让我们将单周期设计中的时钟周期表示为X，将流水线设计中的时钟周期表示为Y。在单个周期设计中，5条指令将需要5X周期，而在流水线设计中，这将需要9Y周期。

现在我们需要找到X和Y之间的关系。现在考虑一种情况，您只有一条指令要执行。在单周期设计中，这将需要X个周期，而在管道设计中，这将需要5Y个周期。如果两者以相同的速率计时，则X应等于5Y。

现在让我们做一些替换数学：-）

单循环-<代码>5X

管道-<代码>9Y

替换X

单周期-25Y

管道-<代码>9Y

给你。单周期设计比多周期设计慢2.7倍。