一文读懂处理器流水线

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。

图1 MIPS五级流水线结构图

图2 MIPS五级流水线运行图