指令流水線的工作原理

要理解指令流水線，先大概回顧一下CPU的內(nèi)部結(jié)構(gòu)：

圖a

圖b

由上面兩個圖我們知道，一條指令要被執(zhí)行，需要通過一個電路把指令從存儲器中取出，放進CPU里面，再由CPU里面的另一個電路ALU去執(zhí)行（圖b中的左邊部分）。也就是說，取指令和執(zhí)行指令是由兩部分不同的電路完成的。

圖1

上圖是指令一條一條執(zhí)行的過程。

圖2

圖2表示，當指令執(zhí)行部件的某一部分電路空閑的時候，這個時候就可以采用流水線的方式。圖中的一個方框表示一個時間周期。

這一部分表示對于第一條指令來說，當進入第二個時間周期，它已經(jīng)處于執(zhí)行階段，ALU電路部分在工作，但是用于取指令的那部分電路空閑了，所以這部分取指令電路可以用于取出第二條指令，這就是指令流水線的基本原理。

圖3

這個和我們工廠的流水線是一樣的道理，流水線上不同的工人代表不同的電路部分。

上圖是一條指令需要六個不同的電路進行配合。

當采用流水線以后，會出現(xiàn)一些問題，比如，在寫后讀相關(guān)問題中，第二條指令開始工作的時候，R1的內(nèi)容必須已經(jīng)確定，否則就會出錯。對于這樣的問題，就要有相應(yīng)的解決辦法。

由流水線產(chǎn)生了一些相應(yīng)的技術(shù)：

上圖中的一個方格代表一個時鐘周期，在同一個時鐘周期里面，可以有4條或者3條指令同時并發(fā)執(zhí)行。注意，是并發(fā)，而不是并行，意味著CPU還是一個，只不過是利用不同的時間片。

上圖中的一個時鐘周期被多條指令分開，也就是說，執(zhí)行指令的某一個動作的某個電路部分，不必等這個時鐘周期結(jié)束，在同一個時鐘周期內(nèi)，就可以執(zhí)行另外一條指令。比如，假定圖3中的每個工人完成一個動作（檢查一個零件或者打一個螺絲）規(guī)定為1分鐘（時鐘周期），但在超流水線技術(shù)里面，這個工人10秒鐘就檢查完了一個零件，剩下的50秒就可以檢查另外的零件。