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基本概念

1、CPI：Cycle Per Instruction，单位指令时钟周期数

2、Cycle Time：周期时间，处理器完成一个周期所需的时间，需要在出厂时设定，属于物理极限

3、执行时间 = 指令数目 x CPI x Cycle Time

4、性能 = 1 / 执行时间

单周期处理器

1、CPI = 1

2、以指令为单位，对于每条指令而言，都需要耗费 1 个时钟周期

3、在物理设计上，cycle time 必须统一标准，因此 cycle time 一般取决于耗时最长的指令 lw（lw需要干的事情最多），当指令中只有少数 lw 指令时，就会产生时间上的浪费

4、单位指令执行时间 = 1 * T（T 为耗时最长指令的 cycle time）

多周期处理器

1、提出划分阶段的思想，将每一条指令拆分为 5 个阶段：IF（Instruction Fetch，指令获取），ID（Instruction Decode，指令解码），EX（Execution，指令执行），MEM（Memory Access，内存读写）和 WB（Write Back to Register，写回寄存器）

2、CPI 一般为 N（ N 代表阶段数目，一般情况下 N = 5 ）

3、依然以指令为单位，只不过一条指令被分为更细的几个阶段来执行，这样可以减少阶段数不同引起的单位指令执行时间的误差。例如 lw 指令需要经历全部的 5 个阶段，但是 sw 指令则只需要经历 4 个阶段（没有 WB），因此当一定数量的等量 lw 和 sw 指令连续出现的时候，平均阶段数会趋近于 4.5，而在单周期处理器中则是 5（为了考虑 lw），很明显后者的误差会更大一些

4、cycle time 取决于耗时最长的阶段（一般是 MEM）

5、单位指令执行时间 = N * ( T / N )（取平均值，CPI * 平均 cycle time，平均 cycle time 近似为总时长的 1/N）

流水线处理器

1、在多周期处理器的基础上进一步优化

2、平均 CPI 为 1（当指令数量很大 > 10000 时，最开始 4 个 cycle 的指令填充和 最后 4 个 cycle 的指令排空可以忽略不计，可以近似认为执行 m 条指令消耗 m（ m >> 8 ）个时钟周期，因此平均 CPI = 1）

3、不再以指令为单位。与多周期不同，流水线以每个阶段为单位，一个阶段内可能有多条指令在同时执行（并行）。例如当一条指令在 EX 阶段时，它的上一条指令可能在 MEM 阶段，而下一条指令可能在 ID 阶段，理论上它们是同时执行的

4、cycle time 取决于耗时最长的阶段（一般是 MEM）

5、单位指令执行时间 = 1 * ( T / N )

6、可能存在三类冒险问题：结构冒险（ Structural Hazard ）、数据冒险（ Data Hazard ）以及控制冒险（ Control Hazard ）