流水線

  開放分類： 計算機技術、自動化、工業自動化、輸送機、輸送設備

  流水線技術的由來

  從前在英格蘭北部的一個小鎮里，有一個名叫艾薇的人開的魚和油煎土豆片商店。在店里面，每位顧客需要排隊才能點他（她）要的食物（比如油炸鱈魚，油煎土豆片，豌豆糊，和一杯茶）。然后每個顧客等著盤子裝滿后坐下來進餐。

  艾薇店里的油煎土豆片是小鎮中最好的，在每個集市日中午的時候，長長的隊伍都會排出商店。所以當隔壁的木器店關門的時候，艾薇就把它租了下來并加了一倍的桌椅。但是這仍然不能容納下所有的顧客。外面排著的隊伍永遠那么長，忙碌的小鎮居民都沒有時間坐下來等他們的茶變涼。

  他們沒辦法再另外增加服務臺了；艾薇的鱈魚和伯特的油煎土豆片是店里面的主要賣點。但是后來他們想出了一個聰明的辦法。他們把柜臺加長，艾薇，伯特，狄俄尼索斯和瑪麗站成一排。顧客進來的時候，艾薇先給他們一個盛著魚的盤子，然后伯特給加上油煎土豆片，狄俄尼索斯再給盛上豌豆糊，最后瑪麗倒茶并收錢。顧客們不停的走動；當一個顧客拿到豌豆糊的同時，他后面的已經拿到了油煎土豆片，再后面的一個已經拿到了魚。一些窮苦的村民不吃豌豆糊-但這沒關系，這些顧客也能從狄俄尼索斯那里得個笑臉。

  這樣一來隊伍變短了，不久以后，他們買下了對面的商店又增加了更多的餐位。這就是流水線。將那些具有重復性的工作分割成幾個串行部分，使得工作能在工人們中間移動，每個熟練工人只需要依次的將他的那部分工作做好就可以了。雖然每個顧客等待服務的總時間沒變，但是卻有四個顧客能同時接受服務，這樣在集市日的午餐時段里能夠照顧過來的顧客數增加了三倍。

  計算機流水線

  計算機流水線是Intel首次在486芯片中開始使用的。流水線的工作方式就象工業生產上的裝配流水線。在CPU中由5—6個不同功能的電路單元組成一條指令處理流水線，然后將一條X86指令分成5—6步后再由這些電路單元分別執行，這樣就能實現在一個CPU時鐘周期完成一條指令，因此提高CPU的運算速度。經典奔騰每條整數流水線都分為四級流水，即指令預取、譯碼、執行、寫回結果，浮點流水又分為八級流水。

  計算機流水線（Pipeline）技術是目前廣泛應用于微處理芯片（CPU）中的一項關鍵技術，計算機流水線技術指的是對CPU內部的各條指令的執行方式的一種形容，要了解它，就必須先了解指令及其執行過程。

  一、計算機指令及其執行過程

  計算機指令，就是告訴CPU要做什么事的一組特定的二進制集合。如果我們將CPU比喻成一個加工廠，那么，一條指令就好比一張訂單，它引發了CPU_加工廠的一系列動作，最后分別得到了運算結果和產品。那么，它們到底是怎樣工作的呢？首先，要有一個接收訂單的部門——CPU的取指令機構；其次，還要有完成訂單的車間——CPU的執行指令機構。在工廠中，一張訂單上的產品被分成了許多道工序，而指令亦在CPU中轉換成了許多條對應的微操作，依次完成它們，就執行完了整條指令。

  二、執行指令的方式及流水線技術

  在低檔的CPU中，指令的執行是串行的，簡單地說，就是執行完了一條指令后、再執行下一條指令，好比我們上面提到的那個加工廠在創業之初，只有一間小車間及孤軍奮戰的老板，那么，當他接到一張訂單之后，他必然忙于完成第1張訂單，而沒有能力去接第2張訂單。這樣接訂單→完成訂單→接訂單→……取指令→執行指令→取指令→……是一個串行的過程。后來，老板發現接受訂單不費太多時間，而且他還有了一個幫工，他們可以相互獨立地工作，這樣，老板就在完成上張訂單產品的同時，接受下一張訂單的訂貨。這表現在CPU上就是取指令機構與執行指令機構的分開，這樣從CPU整體來看，CPU在執行上條指令的同時，又在并行地取下條指令。這在CPU技術上是一個質的飛躍，它使得CPU從串行工作變為并行工作，從而具有了流水線的雛型。

  CPU在完成了上面這一步之后，剩下的就是如何提高并行處理能力的問題了，CPU的設計者們從加工廠的裝配線得到啟發，將一條指令的執行分解成了許多各不相同的多個工序＿微指令，從而極大地簡化了指令的復雜度，簡化了邏輯設計，提高了速度。在具有流水線技術的CPU中，上條指令剛執行完第一道“工序”，馬上第二條指令就加人了流水線中，開始執行。很明顯，這種流水線技術要求有多個執行單元，這在X86芯片中均得到了實現。

  通過上面的介紹，我們已經了解到什么是流水線技術，這雖不是一種創新，但在技術的實現上則是一大難關，是CPU設計者對計算機發展的一大貢獻。

  那么，P6芯片的超流水線又是怎么回事呢？

  三、P6的超流水線簡介

  超流水線（Super Pipeline）在本質上仍為一種流水線技術，但它做了以下的改進。

  1．流水線條數從奔騰的兩條增至三條，還有十一個獨立的執行單元并行支持。

  2．在執行中采取了無序執行（out－of－orderprocessing）技術。即當某條指令需要一些數據而未能立即執行完畢時，它將被剔出流水線并等待數據，CPU則馬上執行下條指令，就好比在裝配線上發現某件產品不太合格，而被淘汰，等待返工一個道理。這樣，可以防止一條指令不能執行而影響了整個流水線的效率。

  3．在P6中將指令劃分成了更細的階段，從而使邏輯設計、工序等等更為簡化，提高了速度。在486芯片中，一條指令一般被劃分為五個標準的部分，奔騰亦是如此。而在P6中，由于采用了近似于RISC的技術，一條指令被劃分成了創紀錄的十四個階段。這極大地提高了流水線的速度。

  那么，P6的超流水線技術是否將流水線工藝發揮到了極限呢？還遠遠未到，在P7中也許我們將看到全新的設計。