关于处理器流水线，此流水线非彼流水线_流水线与非流水比较资源-CSDN文库

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关于处理器流水线，此流水线非彼流水线关于处理器流水线，此流水线非彼流水线

本文将讨论的一个重要的基础知识：“”。熟悉计算机体系结构的读者一定知道，言及微架构，几乎必谈其。的结

构是处理器微架构基本的一个要素，犹如汽车底盘对于汽车一般具有基石性的作用，它承载并决定了处理器其

他微架构的细节。本文将简要介绍处理器的一些常见流水线结构，让您真正读懂处理器流水线。　　1 从经典的

五级流水线说起　　流水线的概念于工业制造领域，以汽车装配为例来解释流水线的工作方式，假设装配一辆

汽车需要四个步骤：　　步冲压：制作车身外壳和底盘等部件。　　第二步焊接：将冲压成形后的各部件焊接

成车身。　　第三步涂装：将车身等主要部件清洗、化学处理、打磨、喷漆和烘干。　　第四步总装：将各部

件(包括发动机和

　　本文将讨论的一个重要的基础知识：“”。熟悉计算机体系结构的读者一定知道，言及微架构，几乎必谈其。的结构是处理

器微架构基本的一个要素，犹如汽车底盘对于汽车一般具有基石性的作用，它承载并决定了处理器其他微架构的细节。本文将

简要介绍处理器的一些常见流水线结构，让您真正读懂处理器流水线。

　　　　1 从经典的五级流水线说起从经典的五级流水线说起

　　流水线的概念于工业制造领域，以汽车装配为例来解释流水线的工作方式，假设装配一辆汽车需要四个步骤：

　　步冲压：制作车身外壳和底盘等部件。

　　第二步焊接：将冲压成形后的各部件焊接成车身。

　　第三步涂装：将车身等主要部件清洗、化学处理、打磨、喷漆和烘干。

　　第四步总装：将各部件(包括发动机和向外采购的零部件)组装成车。

　　汽车装配则同时对应需要冲压、焊接、涂装和总装四个工人。简单的方法是一辆汽车依次经过上述四个步骤装配完成之

后，下一辆汽车才开始进行装配，早期的工业制造就是采用的这种原始的方式，即同一时刻只有一辆汽车在装配。不久之后人

们发现，某个时段中一辆汽车在进行装配时，其它三个工人都处于闲置状态，显然这是对资源的极大浪费，于是思考出能有效

利用资源的新方法，即在辆汽车经过冲压进入焊接工序的时候，立刻开始进行第二辆汽车的冲压，而不是等到辆汽车经过全部

四个工序后才开始，这样在后续生产中就能够保证四个工人一直处于运行状态，不会造成人员的闲置。这样的生产方式就好似

流水川流不息，因此被称为流水线。

　　计算机体系结构教材中被提及多的经典MIPS五级流水线如图1所示。在此流水线中一条指令的生命周期分为：

　　取指：

　　指令取指(Instruction Fetch)是指将指令从存储器中读取出来的过程。

　　译码：

　　指令译码(Instruction Decode)是指将存储器中取出的指令进行翻译的过程。经过译码之后得到指令需要的操作数寄存器索

引，可以使用此索引从通用寄存器组(Register File，Regfile)中将操作数读出。

　　执行：

　　指令译码之后所需要进行的计算类型都已得知，并且已经从通用寄存器组中读取出了所需的操作数，那么接下来便进行指

令执行(Instruction Execute)。指令执行是指对指令进行真正运算的过程。譬如，如果指令是一条加法运算指令，则对操作数

进行加法操作;如果是减法运算指令，则进行减法操作。

　　在“执行”阶段的常见部件为算术逻辑部件运算器(Arithmetic Logical Unit，ALU)，作为实施具体运算的硬件功能单元。

　　访存：

　　存储器访问指令往往是指令集中重要的指令类型之一，访存(Memory Access)是指存储器访问指令将数据从存储器中读

出，或者写入存储器的过程。

　　写回：

　　写回(Write-Back)是指将指令执行的结果写回通用寄存器组的过程。如果是普通运算指令，该结果值来自于“执行”阶段计

算的结果;如果是存储器读指令，该结果来自于“访存”阶段从存储器中读取出来的数据。

　　在工业制造中采用流水线可以提高单位时间的生产量，同样在处理器中采用流水线设计也有助于提高处理器的性能。以上

述的五级流水线为例，由于前一条指令在完成了“取指”进入“译码”阶段后，下一条指令马上就可以进入“取指”阶段，依次类推，

如图2所示，如果流水线没有停顿，理论上可以取得每个时钟周期都完成一条指令的性能。

　　

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