指令平均周期數

指令平均周期數（英語：Cycle Per Instruction, CPI），也稱每指令周期，即執行在計算機體系結構中一條指令所需要的平均時鐘周期（機器主頻的倒數）數。

其方程為：$CPI={\frac {\Sigma _{i}(IC_{i})(CC_{i})}{IC}}$

其中$IC_{i}$是第i種指令的數量，$CC_{i}$是第i種指令的時鐘周期數，$IC=\Sigma _{i}(IC_{i})$是總的指令數，對於一個給定的基準測試過程，總和為所有指令類型。

一個完整的計算機系統執行時間，即指令周期指從內存中取出並執行該條指令所用的全部時間，它取決於硬件結構和各部件的性能。

解釋

假設目前為經典RISC流水線，執行一條指令一般分為五個階段：

1. 取指周期
2. 譯碼周期
3. 執行周期
4. 訪問內存
5. 寫回周期

每一條指令都需要順序經過這五個步驟，每個需要一個時鐘周期,如果在一個沒有流水線技術的處理器中，只有當前一條指令的第五階段執行完，下一條指令的第一階段才會開始運行，因此，每執行一條指令的時鐘周期就是5（CPI=5），這種情況下，處理器被稱為亞純量的。在有流水線技術的處理器中，通過利用指令級並行，每一個時鐘周期，都有一條指令被取得。因此，因為在理論上同一時刻，在流水線的五個周期上有五個不同的指令，所以在每一個時鐘周期中，都會有一個指令完成第五階段，所以平均執行每一條指令的時鐘周期就是1（CPI=1），這樣的處理器稱為純量處理器

示例

示例1

對於多周期MIPS架構,有以下五種指令：

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