危障對有效 CPI 的影響

在完美、無危障的管線裡，每個週期完成一條指令：每指令週期數，即 CPI，等於 1。那是夢想。但每次停頓、每次清空都是沒有指令完成的一個週期，所以真實 CPI 悄悄爬到 1 之上。有效 CPI 是誠實、全包的平均——實際花掉的週期除以完成的指令——它是唯一一個能道盡危障傷你多深的數字。

記帳很直接。從理想 CPI 為 1 出發，加上每種危障每條指令平均貢獻的停頓週期：有效 CPI = 1 +（每指令的載入-使用停頓）+（每指令的分支懲罰）+（任何結構停頓）。每一項都是一個頻率乘上一個懲罰。以分支為例：若五分之一的指令是分支、你的預測器每十次錯一次、每次誤測清空 3 個週期，分支項就是 0.20 乘 0.10 乘 3 = 0.06。把所有這類項加起來，你就有了真實 CPI。這直接代入效能的鐵律——執行時間等於指令數乘 CPI 乘週期時間——所以較高的有效 CPI 直接拉長程式執行時間。

有效 CPI 是整場管線遊戲的計分板，它讓各種權衡變得誠實。前饋把資料危障項逼向零；好的預測縮小分支項；額外的硬體移除結構項。但它也暴露深管線的陷阱：更多階段買到更短的週期時間，卻抬高誤測懲罰（要清空的階段更多），於是把分支項推高。加深到底有沒有幫助，取決於更快的時脈是否勝過更胖的 CPI——這正是管線深度權衡，而有效 CPI 就是你量度它的方式。