一文讀懂處理器流水線

本文將討論處理器的一個重要的基礎(chǔ)知識：“流水線”。熟悉計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的讀者一定知道，言及處理器微架構(gòu)，幾乎必談其流水線。處理器的流水線結(jié)構(gòu)是處理器微架構(gòu)最基本的一個要素，猶如汽車底盤對于汽車一般具有基石性的作用，它承載并決定了處理器其他微架構(gòu)的細(xì)節(jié)。本文將簡要介紹處理器的一些常見流水線結(jié)構(gòu)，讓您真正讀懂處理器流水線。

 從經(jīng)典的五級流水線說起

流水線的概念來源于工業(yè)制造領(lǐng)域，以汽車裝配為例來解釋流水線的工作方式，假設(shè)裝配一輛汽車需要四個步驟：

第一步?jīng)_壓：制作車身外殼和底盤等部件。

第二步焊接：將沖壓成形后的各部件焊接成車身。

第三步涂裝：將車身等主要部件清洗、化學(xué)處理、打磨、噴漆和烘干。

第四步總裝：將各部件(包括發(fā)動機(jī)和向外采購的零部件)組裝成車。

汽車裝配則同時對應(yīng)需要沖壓、焊接、涂裝和總裝四個工人。最簡單的方法是一輛汽車依次經(jīng)過上述四個步驟裝配完成之后，下一輛汽車才開始進(jìn)行裝配，最早期的工業(yè)制造就是采用的這種原始的方式，即同一時刻只有一輛汽車在裝配。不久之后人們發(fā)現(xiàn)，某個時段中一輛汽車在進(jìn)行裝配時，其它三個工人都處于閑置狀態(tài)，顯然這是對資源的極大浪費(fèi)，于是思考出能有效利用資源的新方法，即在第一輛汽車經(jīng)過沖壓進(jìn)入焊接工序的時候，立刻開始進(jìn)行第二輛汽車的沖壓，而不是等到第一輛汽車經(jīng)過全部四個工序后才開始，這樣在后續(xù)生產(chǎn)中就能夠保證四個工人一直處于運(yùn)行狀態(tài)，不會造成人員的閑置。這樣的生產(chǎn)方式就好似流水川流不息，因此被稱為流水線。

在此流水線中一條指令的生命周期分為：

取指：

指令取指(InstrucTIon Fetch)是指將指令從存儲器中讀取出來的過程。

譯碼：

指令譯碼(InstrucTIon Decode)是指將存儲器中取出的指令進(jìn)行翻譯的過程。經(jīng)過譯碼之后得到指令需要的操作數(shù)寄存器索引，可以使用此索引從通用寄存器組(Register File，Regfile)中將操作數(shù)讀出。

執(zhí)行：

指令譯碼之后所需要進(jìn)行的計算類型都已得知，并且已經(jīng)從通用寄存器組中讀取出了所需的操作數(shù)，那么接下來便進(jìn)行指令執(zhí)行(InstrucTIon Execute)。指令執(zhí)行是指對指令進(jìn)行真正運(yùn)算的過程。譬如，如果指令是一條加法運(yùn)算指令，則對操作數(shù)進(jìn)行加法操作;如果是減法運(yùn)算指令，則進(jìn)行減法操作。

在“執(zhí)行”階段的最常見部件為算術(shù)邏輯部件運(yùn)算器(ArithmeTIc Logical Unit，ALU)，作為實施具體運(yùn)算的硬件功能單元。

訪存：

存儲器訪問指令往往是指令集中最重要的指令類型之一，訪存(Memory Access)是指存儲器訪問指令將數(shù)據(jù)從存儲器中讀出，或者寫入存儲器的過程。

寫回：

寫回(Write-Back)是指將指令執(zhí)行的結(jié)果寫回通用寄存器組的過程。如果是普通運(yùn)算指令，該結(jié)果值來自于“執(zhí)行”階段計算的結(jié)果;如果是存儲器讀指令，該結(jié)果來自于“訪存”階段從存儲器中讀取出來的數(shù)據(jù)。

在工業(yè)制造中采用流水線可以提高單位時間的生產(chǎn)量，同樣在處理器中采用流水線設(shè)計也有助于提高處理器的性能。以上述的五級流水線為例，由于前一條指令在完成了“取指”進(jìn)入“譯碼”階段后，下一條指令馬上就可以進(jìn)入“取指”階段，依次類推，如圖2所示，如果流水線沒有停頓，理論上可以取得每個時鐘周期都完成一條指令的性能。