指令平均周期数

指令平均周期数（），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。

其方程为：
CPI = \frac{\Sigma_i(IC_i)(CC_i)}{IC}

其中IC_i是第i种指令的数量，CC_i是第i种指令的时钟周期数，IC=\Sigma_i(IC_i)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。

解释
假设目前为，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

\text{CPI} = \frac{5 \times 50 + 4 \times 25 + 4 \times 15 + 3 \times 8 + 3 \times 2}{100} = 4.4

参考