计算机组织与结构：全面认识CPU的流水

1、全面认识CPU的流水线,一、我们为什么需要流水线？ 借鉴了工业流水线制造的思想，现代CPU也采用了流水线设计。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CPU中采用流水线设计也有助于提高CPU的频率。 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4个步骤：1.冲压：制作车身外壳和底盘等部件，2.焊接：将冲压成形后的各部件焊接成车身，3.涂装：将车身等主要部件清洗、化学处理、打磨、喷漆和烘干，4.总装：将各部件（包括发动机和向外采购的零部件）组装成车；同时对应地需要冲压、焊接、涂装和总装四个工人。如果不采用流水线，那么第一辆汽车依次经过上述四个步骤装配完成之后，下一辆

2、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。,CPU的工作,可以大致分为指令的获取、解码、运算和结果的写入四个步骤，采用流水线设计之后，指令（好比待装配的汽车）就可以连续不断地进行处理。 在同一个较长的时间段内，显然拥有流水线设计的CPU能够处理更多的指令。,二、为什么要加长流水线？,Intel和AMD在桌面CPU市场上的激烈竞争，使双方都千方百计地拿出更强大产品来压制对方，而最引人瞩目的就是CPU的频率之争。随着CPU频率不断地攀升，Intel总是在自己某个核心的处理器到达极限之时采用新的、更长流水线的核心来消除频率的瓶颈。那么流水线和频率之间有什么关系呢？ 还是以上面的例

3、子来说明。假如冲压、焊接、涂装和总装四个过程各自需要1个小时，现在我们把这四个工序细化：冲压分为冲压1（外壳）和冲压2（底盘）两个子工序，另外三个工序同样各自分成两个子工序，一共八个子工序。这样一来，完成每个子工序平均只需要半个小时，因此每隔半个小时就有一辆汽车完成装配，下线速度提高了一倍！如果再进一步细化，一分为二，那么完成每个工序平均只需要15分钟，即每隔15分钟就有一辆汽车下线，速度又提高了一倍（单辆汽车的生产时间仍是4个小时，但是两辆汽车的生产间隙更小了）。所以工序分得越细，单位时间内（例如8个小时）生产的汽车就越多。 正是这样，CPU厂商才试图不断加长流水线，以利于频率的提升。那么为

4、什么Prescott核心的处理器才31级流水线，流水线级数能不能无限增长呢？,三、长流水线带来的问题,首先，由于现有芯片制造工艺的限制，频率的提升带来高功耗、高发热量的问题。尽管流水线增长，频率提升的空间相应增大，但是处理器频率提升的其它瓶颈却无法解决。而且过长的流水线意味着更加复杂的内部结构，生产的良品率也难以保证。 其次，在CPU的工作中，指令往往不是孤立的，许多指令按一定的顺序执行才能完成一个任务。而一旦某个指令在运算过程中发生了错误，或者执行了没有用的指令，那么其后与之相关的指令就都没有用了。这些指令必须清除掉，然后再执行其它的指令，CPU相当于做了许多无用功！流水线越长，一旦出错影响

5、也就越大，比如一个指令在最后一级出错，那么可能在后续流水线中的所有指令都要被清除，Northwood核心处理器要浪费20级工序的时间，而Prescott核心处理器就要浪费31级工序的时间！,再者，由于任何电导体都会产生延时，流水线越长、级数越多就会导致延迟次数越多，总延时就越大，CPU完成单个任务的时间就会越长。基于以上两个原因，人们才常常说Prescott核心处理器的效率低下，需要用更大的缓存和更先进的技术加以弥补。,汽泡(电脑运算) 一个气泡在编号为3的时钟频率周期中，指令运行被延迟 气泡 指令运行中产生一个“打嗝”(hiccup),在流水线中生成一个没有实效的气泡。 如右图，在编号为2的时钟频率周期中，紫色指令的读取被延迟，并且在编号为3的时钟频率周期中解码层也产生了一个气泡。所有在紫色指令之后的指令都被延迟运行，而在其之前已经运行了的指令则不受影响。 由于气泡