5.1.4 流水线的性能分析

　　衡量流水线性能的主要指标有吞吐率、加速比和效率。另外，在流水线设计中，如何选择流水线的最佳段数也是一个非常重要的问题。因此，本节首先对影响流水线性能的吞吐率、加速比和效率等三个主要指标进行分析，然后介绍流水线最佳段数的选择方法，最后举例说明流水线的性能分析方法。

1、吞吐率
　　流水线的吞吐率（TP：Though Put rate）是指在单位时间内流水线所完成的任务数量或输出的结果数量。
　　　　　　　　　　　　　　　（5.5）
　　式中，n为任务数，是处理完成n个任务所用的时间。（5.5）式是计算流水线吞吐率的最基本公式。以下讨论满足某种特殊情况的流水线吞吐率。
　　如图5.7所示，在流水线各段的执行时间均相等，输入到流水线中的任务是连续的理想情况下，一条k段线性流水线能够在k＋n－1个时钟周期内完成n个任务。

　　可以从两个方面来分析流水线完成n个任务所需要的总时间。一种方法是从流水线的输出端看，用k个时钟周期输出第一个任务，其余n－1时钟周期，每个周期输出一个任务，即用n－1个时钟周期输出n－1个任务。另一种分析方法是从流水线的输入端看，用n个时钟周期向流水线输入n个任务，另外还要用k－1个时钟周期作为流水线的排空时间。因此，流水线完成n个连续任务需要的总时间为：
　　　　　　　　　　　　（5.6）
　　其中，为时钟周期。
　　把（5.6）关系式代入（5.5）式中，得到流水线各段时间均相等，输入连续n个任务的一条k段线性流水线的实际吞吐率为：
　　　　　　　　　　　　　（5.7）
　　这种情况下的最大吞吐率为：
　　　　（5.8）
　　最大吞吐率与实际吞吐率的关系是：
　　　　（5.9）
　　从（5.9）式中可以看出，流水线的实际吞吐率要小于最大吞吐率，它除了与时钟周期Dt有关之外，还与流水线的段数k、输入到流水线中的任务数n等有关。只有当n>>k时，才有TP≈TPmax。