卅年史詩(shī)！地球上出現(xiàn)過(guò)的CPU完全收

    2、流水線（Pipeline）

　　流水線是現(xiàn)代RISC核心的一個(gè)重要設(shè)計(jì)，它極大地提高了性能。

　　對(duì)于一條具體的指令執(zhí)行過(guò)程，通常可以分為五個(gè)部分：取指令，指令譯碼，取操作數(shù)，運(yùn)算（ALU），寫結(jié)果。其中前三步一般由指令控制器完成，后兩步則由運(yùn)算器完成。按照傳統(tǒng)的方式，所有指令順序執(zhí)行，那么先是指令控制器工作，完成第一條指令的前三步，然后運(yùn)算器工作，完成后兩步，在指令控制器工作，完成第二條指令的前三步，在是運(yùn)算器，完成第二條指令的后兩部……很明顯，當(dāng)指令控制器工作是運(yùn)算器基本上在休息，而當(dāng)運(yùn)算器在工作時(shí)指令控制器卻在休息，造成了相當(dāng)大的資源浪費(fèi)。解決方法很容易想到，當(dāng)指令控制器完成了第一條指令的前三步后，直接開(kāi)始第二條指令的操作，運(yùn)算單元也是。這樣就形成了流水線系統(tǒng)，這是一條2級(jí)流水線。

　　如果是一個(gè)超標(biāo)量系統(tǒng)，假設(shè)有三個(gè)指令控制單元和兩個(gè)運(yùn)算單元，那么就可以在完成了第一條指令的取址工作后直接開(kāi)始第二條指令的取址，這時(shí)第一條指令在進(jìn)行譯碼，然后第三條指令取址，第二條指令譯碼，第一條指令取操作數(shù)……這樣就是一個(gè)5級(jí)流水線。很顯然，5級(jí)流水線的平均理論速度是不用流水線的4倍。

　　流水線系統(tǒng)最大限度地利用了CPU資源，使每個(gè)部件在每個(gè)時(shí)鐘周期都工作，大大提高了效率。但是，流水線有兩個(gè)非常大的問(wèn)題：相關(guān)和轉(zhuǎn)移。

　　在一個(gè)流水線系統(tǒng)中，如果第二條指令需要用到第一條指令的結(jié)果，這種情況叫做相關(guān)。以上面哪個(gè)5級(jí)流水線為例，當(dāng)?shù)诙l指令需要取操作數(shù)時(shí)，第一條指令的運(yùn)算還沒(méi)有完成，如果這時(shí)第二條指令就去取操作數(shù)，就會(huì)得到錯(cuò)誤的結(jié)果。所以，這時(shí)整條流水線不得不停頓下來(lái)，等待第一條指令的完成。這是很討厭的問(wèn)題，特別是對(duì)于比較長(zhǎng)的流水線，比如20級(jí)，這種停頓通常要損失十幾個(gè)時(shí)鐘周期。目前解決這個(gè)問(wèn)題的方法是亂序執(zhí)行。亂序執(zhí)行的原理是在兩條相關(guān)指令中插入不相關(guān)的指令，使整條流水線順暢。比如上面的例子中，開(kāi)始執(zhí)行第一條指令后直接開(kāi)始執(zhí)行第三條指令（假設(shè)第三條指令不相關(guān)），然后才開(kāi)始執(zhí)行第二條指令，這樣當(dāng)?shù)诙l指令需要取操作數(shù)時(shí)第一條指令剛好完成，而且第三條指令也快要完成了，整條流水線不會(huì)停頓。當(dāng)然，流水線的阻塞現(xiàn)象還是不能完全避免的，尤其是當(dāng)相關(guān)指令非常多的時(shí)候。

　　另一個(gè)大問(wèn)題是條件轉(zhuǎn)移。在上面的例子中，如果第一條指令是一個(gè)條件轉(zhuǎn)移指令，那么系統(tǒng)就會(huì)不清楚下面應(yīng)該執(zhí)行那一條指令？這時(shí)就必須等第一條指令的判斷結(jié)果出來(lái)才能執(zhí)行第二條指令。條件轉(zhuǎn)移所造成的流水線停頓甚至比相關(guān)還要嚴(yán)重的多。所以，現(xiàn)在采用分支預(yù)測(cè)技術(shù)來(lái)處理轉(zhuǎn)移問(wèn)題。雖然我們的程序中充滿著分支，而且哪一條分支都是有可能的，但大多數(shù)情況下總是選擇某一分支。比如一個(gè)循環(huán)的末尾是一個(gè)分支，除了最后一次我們需要跳出循環(huán)外，其他的時(shí)候我們總是選擇繼續(xù)循環(huán)這條分支。根據(jù)這些原理，分支預(yù)測(cè)技術(shù)可以在沒(méi)有得到結(jié)果之前預(yù)測(cè)下一條指令是什么，并執(zhí)行它。現(xiàn)在的分支預(yù)測(cè)技術(shù)能夠達(dá)到90%以上的正確率，但是，一旦預(yù)測(cè)錯(cuò)誤，CPU仍然不得不清理整條流水線并回到分支點(diǎn)。這將損失大量的時(shí)鐘周期。所以，進(jìn)一步提高分支預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確率也是正在研究的一個(gè)課題。

　　越是長(zhǎng)的流水線，相關(guān)和轉(zhuǎn)移兩大問(wèn)題也越嚴(yán)重，所以，流水線并不是越長(zhǎng)越好，超標(biāo)量也不是越多越好，找到一個(gè)速度與效率的平衡點(diǎn)才是最重要的。<