指令流水线技术

复习

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。

　　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。

　　衡量一台机器快不快，不能只看某一个数字，而要看它们怎样相乘：

程序执行时间 = 指令数 × 平均每条指令的周期数（CPI） × 时钟周期

　　想让时间更短，就有三条路：减少要执行的指令数、降低每条指令平均花几拍（CPI）、或者让时钟走得更快（提高主频）。这三条，分别对应算法与编译器、CPU 结构、以及硬件工艺。“更快”从来不是单一因素，而是这几项共同作用的结果。

　　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。

　　这就是流水线的主意：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 1

　　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？

思考题 2

　　流水线能提高吞吐量，却几乎不缩短单条指令走完全程的时间。这两件事为什么不是一回事？

　　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。

　　吞吐量说的是单位时间完成的指令数，流水线让多个阶段并行，确实把它提上去了；而单条指令仍要依次经过取指、译码、执行、写回，路程并没有缩短，所以延迟基本不变。如果流水线出现等待或清空，单条指令甚至可能比不流水更慢。

设计师 | 南国微雪