指令流水线技术
复习
- CPU 执行一条指令要经过取指、译码、执行和写回
- 不同阶段会使用不同部件
- 极简 CPU 已经能正确运行程序
本章讨论如何把机器做快。跳过它，不影响后面连接外部设备。
TL;DR
- 流水线让多条指令同时处于不同阶段
- 它提高单位时间完成的指令数，却不会缩短单条指令的全部路程
- 依赖与跳转会让流水线等待或清空
正文
洗一件衣服要洗、烘、叠三步。若第一件全部完成才开始第二件，洗衣机烘干时，负责洗的设备就在闲着。
CPU 也一样。一条指令执行时，取指部件、译码部件和 ALU 不会始终同时忙。于是可以让下一条指令提前进入空下来的阶段：
指令 1：取指 译码 执行 写回
指令 2： 取指 译码 执行 写回
指令 3： 取指 译码 执行 写回
流水线装满后，理想情况下每一拍都能完成一条指令。单条指令仍要走完所有阶段，变快的是整批指令的吞吐量。
后一条等着前一条
若指令 2 立刻要用指令 1 尚未写回的结果，它就不能放心执行。这叫数据冒险。CPU 可以把刚算出的结果直接转给下一阶段，也可以停一拍等待。
若遇到跳转，取指部件还不知道下一条该从哪里取，这叫控制冒险。CPU 可以先猜一条路；猜错后，把错误取进来的指令清掉，回到正确地址。
现实流水线还有更多细节，但主意只有一个：让本来闲着的部件同时工作。 代价是安排并行比排队更复杂。
至此，CPU 内部已经完成。接下来把视线移到盒子外面：CPU、存储器和外设之间，不能每两块都单独拉满一套线。
思考题
一条指令分为 4 个阶段。理想流水下，执行 100 条指令大约需要多少拍？为什么不是 25 拍？
小结
知识点
- 流水线让不同指令的不同阶段重叠
- 流水线提高吞吐量
- 数据依赖和跳转会造成冒险
思考题答案（仅供参考）
大约需要 4 + 99 = 103 拍：第一条走完 4 个阶段，此后理想情况下每拍再完成一条。不是 25 拍，因为每个阶段每拍通常只能接纳一条指令，不能在一拍里完成 4 条完整指令。
协议
本作品采用知识共享署名-非商业性使用-相同方式共享 4.0 国际许可协议进行许可。
封面图
设计师 | 南国微雪