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一文读懂处理器流水线

2018年04月08日 08:16 次阅读

本文将讨论处理器的一个重要的基础知识:“流水线”。熟悉计算机体系结构的读者一定知道,言及处理器微架构,几乎必谈其流水线。处理器的流水线结构是处理器微架构最基本的一个要素,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

流水线的概念来源于工业制造领域,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:

第一步冲压: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。最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,最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,即在第一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,而不是等到第一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最多的经典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”阶段的最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最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。

一文读懂处理器流水线

图1 MIPS五级流水线结构图

一文读懂处理器流水线

图2 MIPS五级流水线运行图

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苹果自研处理器加强 新推三款Mac融入自研芯,抛...

对于苹果来说,有钱可以让他们任性的干很多事,而鉴于其每年要卖出3亿台的终端,所以选择自行设计CPU也...

发表于 2018-01-30 09:36 181次阅读
苹果自研处理器加强 新推三款Mac融入自研芯,抛...

CISC和RISC有哪些不同,从8方面分析

CISC和RISC: RISC(精简指令集计算机)是一种执行较少类型计算机指令的微处理器.这样一来,...

发表于 2018-01-26 12:32 161次阅读
CISC和RISC有哪些不同,从8方面分析

工业处理器的板载电源设计方案解析

介绍了DC/DC开关稳压电源系统的设计,电源的拓扑采用全桥电路图拓扑、倍流同步整流方式。设计了一款为...

发表于 2018-01-26 12:16 168次阅读
工业处理器的板载电源设计方案解析

单片机的分类_常见的单片机有哪些类型

单片机是一种集成电路芯片,是采用超大规模集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器CPU、随机存储器...

发表于 2018-01-26 11:42 847次阅读
单片机的分类_常见的单片机有哪些类型

三星拟向其他厂商出售Exynos处理器,来抢占全...

三星计划面向其他智能手机厂商销售自家的Exynos处理器,以进一步抢占全球手机处理器市场份额。

发表于 2018-01-25 14:15 1201次阅读
三星拟向其他厂商出售Exynos处理器,来抢占全...

中国芯被倒逼迎来突破惊艳世界

如今国产处理器性能已经不弱于国外处理器,中国芯片终于迎来了“芯突破”,到2020年,集成电路产业与国...

发表于 2018-01-22 15:30 455次阅读
中国芯被倒逼迎来突破惊艳世界

渲染流程分为3个阶段,从一个三维场景出发

渲染流水线的工作任务在于由一个三维场景出发、生成(或者说渲染)一张二维图像。换句话说,计算机需要从一...

发表于 2018-01-17 06:48 1066次阅读
渲染流程分为3个阶段,从一个三维场景出发

智能家电品牌排行榜_智能家电和传统家电

智能家电与传统家电的不同在于智能家电实现了拟人智能,产品通过传感器和控制芯片来捕捉和处理信息,除了根...

发表于 2018-01-16 18:03 314次阅读
智能家电品牌排行榜_智能家电和传统家电

AMD、京东联合宣布签署商务谅解备忘录

AMD、京东联合宣布,两家公司已经在CES 2018国际消费电子展上签署商务谅解备忘录,AMD将授权...

发表于 2018-01-16 12:22 152次阅读
AMD、京东联合宣布签署商务谅解备忘录

苹果又惹上官司 iPhone用户表示A系列处理器...

近日苹果又有一场官司上门,据悉,美国iPhone手机用户向苹果发起了集体诉讼,指控苹果A系列处理器存...

发表于 2018-01-16 10:27 346次阅读
苹果又惹上官司 iPhone用户表示A系列处理器...

树莓派使用的 ARM1176等内核中推测的缺失使...

现代处理器竭尽全力保持抽象,从而成为直接访问内存的有序标量机器,而事实上,使用包括缓存、指令重排序和...

发表于 2018-01-15 11:27 658次阅读
树莓派使用的 ARM1176等内核中推测的缺失使...

恩智浦半导体(NXP)推出i. MX 8M系列应...

恩智浦半导体(NXP)推出i. MX 8M系列应用处理器,透过结合满足语音、影音和音频的需求,实现全...

发表于 2018-01-15 05:12 133次阅读
恩智浦半导体(NXP)推出i. MX 8M系列应...

搭载联发科x30处理器的手机有哪些

本文主要介绍了搭载联发科x30处理器的手机有哪些?elioX30部件号MT6799,10nm工艺,采...

发表于 2018-01-14 14:12 4853次阅读
搭载联发科x30处理器的手机有哪些

Cortex-A8和ARM9有何不同?-Cort...

arm系列从arm11开始,以后的就命名为cortex,并且性能上大幅度提升。Cortex-A8和A...

发表于 2018-01-14 09:56 749次阅读
Cortex-A8和ARM9有何不同?-Cort...

半导体芯片64位与32位,究竟有何不同?

发表于 2017-09-07 10:31 825次阅读
半导体芯片64位与32位,究竟有何不同?

组装手机的格调似乎不太高,不如再搞件大事,做一枚处理器玩玩。

发表于 2017-08-12 15:26 729次阅读
组装手机的格调似乎不太高,不如再搞件大事,做一枚处理器玩玩。

【MYS-6ULX-IoT试用体验】虚拟机安装与配置编译工具

发表于 2017-06-26 11:40 8123次阅读
【MYS-6ULX-IoT试用体验】虚拟机安装与配置编译工具

不断升级的智能工厂无线网络

发表于 2017-06-22 09:20 376次阅读
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ARM处理器的节能优势

发表于 2017-06-18 10:27 559次阅读
ARM处理器的节能优势

全球首颗非冯诺伊曼架构处理器即将面世,到底哪种工作模式更有优势?

发表于 2017-06-14 09:26 2877次阅读
全球首颗非冯诺伊曼架构处理器即将面世,到底哪种工作模式更有优势?

【Orange Pi Zero Plus2试用体验】香橙派创客神器开箱鉴赏

发表于 2017-06-12 17:34 2249次阅读
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iMX8方案服务- 辰汉

发表于 2017-06-12 17:13 990次阅读
iMX8方案服务- 辰汉

自动驾驶的到来

发表于 2017-06-08 15:25 907次阅读
自动驾驶的到来