計算機流水線

計算機流水線（Pipeline）技術是目前廣泛應用於微處理芯片（CPU）中的一項關鍵技術，計算機流水線技術指的是對CPU內部的各條指令的執行方式的一種形容，要了解它，就必須先了解指令及其執行過程。

流水線的工作方式就象工業生產上的裝配流水線。在CPU中由5—6個不同功能的電路單元組成一條指令處理流水線，然後將一條X86指令分成5—6步後再由這些電路單元分別執行，這樣就能實現在一個CPU時鐘週期完成一條指令，因此提高CPU的運算速度。經典奔騰每條整數流水線都分為四級流水，即指令預取、譯碼、執行、寫回結果，浮點流水又分為八級流水。

1、計算機指令及其執行過程

計算機指令，就是告訴CPU要做什麼事的一組特定的二進制集合。如果我們將CPU比喻成一個加工廠，那麼，一條指令就好比一張訂單，它引發了CPU_加工廠的一系列動作，最後分別得到了運算結果和產品。那麼，它們到底是怎樣工作的呢？首先，要有一個接收訂單的部門——CPU的取指令機構；其次，還要有完成訂單的車間——CPU的執行指令機構。在工廠中，一張訂單上的產品被分成了許多道工序，而指令亦在CPU中轉換成了許多條對應的微操作，依次完成它們，就執行完了整條指令。

2、執行指令的方式及流水線技術

在低檔的CPU中，指令的執行是串行的，簡單地説，就是執行完了一條指令後、再執行下一條指令，好比我們上面提到的那個加工廠在創業之初，只有一間小車間及孤軍奮戰的老闆，那麼，當他接到一張訂單之後，他必然忙於完成第1張訂單，而沒有能力去接第2張訂單。這樣接訂單→完成訂單→接訂單→……取指令→執行指令→取指令→……是一個串行的過程。後來，老闆發現接受訂單不費太多時間，而且他還有了一個幫工，他們可以相互獨立地工作，這樣，老闆就在完成上張訂單產品的同時，接受下一張訂單的訂貨。這表現在CPU上就是取指令機構與執行指令機構的分開，這樣從CPU整體來看，CPU在執行上條指令的同時，又在並行地取下條指令。這在CPU技術上是一個質的飛躍，它使得CPU從串行工作變為並行工作，從而具有了流水線的雛型。

CPU在完成了上面這一步之後，剩下的就是如何提高並行處理能力的問題了，CPU的設計者們從加工廠的裝配線得到啓發，將一條指令的執行分解成了許多各不相同的多個工序_微指令，從而極大地簡化了指令的複雜度，簡化了邏輯設計，提高了速度。在具有流水線技術的CPU中，上條指令剛執行完第一道“工序”，馬上第二條指令就加入了流水線中，開始執行。很明顯，這種流水線技術要求有多個執行單元，這在X86芯片中均得到了實現。

通過上面的介紹，我們已經瞭解到什麼是流水線技術，這雖不是一種創新，但在技術的實現上則是一大難關，是CPU設計者對計算機發展的一大貢獻。

那麼，P6芯片的超流水線又是怎麼回事呢？

3、P6的超流水線簡介

超流水線（Super Pipeline）在本質上仍為一種流水線技術，但它做了以下的改進。

A．流水線條數從奔騰的兩條增至三條，還有十一個獨立的執行單元並行支持。

B．在執行中採取了無序執行（out－of－orderprocessing）技術。即當某條指令需要一些數據而未能立即執行完畢時，它將被剔出流水線並等待數據，CPU則馬上執行下條指令，就好比在裝配線上發現某件產品不太合格，而被淘汰，等待返工一個道理。這樣，可以防止一條指令不能執行而影響了整個流水線的效率。

C．在P6中將指令劃分成了更細的階段，從而使邏輯設計、工序等等更為簡化，提高了速度。在486芯片中，一條指令一般被劃分為五個標準的部分，奔騰亦是如此。而在P6中，由於採用了近似於RISC的技術，一條指令被劃分成了創紀錄的十四個階段。這極大地提高了流水線的速度。

那麼，P6的超流水線技術是否將流水線工藝發揮到了極限呢？還遠遠未到，在P7中也許我們將看到全新的設計。

流水線與生產線的區別：流水線是指一個生產車間在一條流水線機上完成操作流程。而生產線是指工廠的整體生產流程。比如從接單，開始設計到大量生產。這是生產流程。