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指令流水线

处理器中实现指令级并行的技术

指令流水线（英语：Instruction pipeline）是为了让计算机和其它数字电子设备能够加速指令的通过速度（单位时间内被执行的指令数量）而设计的技术。

RISC机器的五层流水线示意图（IF：读取指令，ID：指令解码，EX：执行，MEM：存储器访问，WB：写回寄存器）

流水线在处理器的内部被组织成层级，各个层级的流水线能半独立地单独运作。每一个层级都被管理并且链接到一条“链”，因而每个层级的输出被送到其它层级直至任务完成。 处理器的这种组织方式能使总体的处理时间显著缩短。

未流水线的架构产生的效率低，因为有些CPU的模块在其他模块执行时是闲置的。流水线虽并不会完全消除CPU的闲置时间，但是能够让这些模块并发运作而大幅提升程序执行的效率。差不多有些类似流水线工厂的概念。

但并不是所有的指令都是独立的。在一条简单的流水线中，完成一个指令可能需要5层。如右图所示，要在最佳性能下运算，当第一个指令被执行时，这个流水线需要运行随后4条独立的指令。可是，如果随后4条指令依赖于第一条指令的输出，流水线控制逻辑器，就必须插入延迟主频周期到流水线内，直到依赖被满足。而转发技术能显著减少延时。凭借多个层，虽然流水线在理论上能提高性能，优胜于无流水线的内核（假设主频也因应层的数量按比例增加），但事实上，许多脚本设计中并不会考虑到理想的执行。

简介

 
RISC机器的五层流水线示意图

流水线是假设程序执行时有一连串的指令要被执行（垂直座标i是指令集，水平座标表时间t）。绝大多数当代的CPU都是利用主频驱动。

而CPU是由内部的逻辑门与触发器组成。当受到主频触发时，触发器得到新的数值，并且逻辑门需要一段时间来解析出新的数值，而当受到下一个主频触发时触发器又得到新的数值，以此类推。而借由逻辑门分散成很多小区块，再让触发器链接这些小区块组，使逻辑门输出正确数值的时间延迟得以减少，这样一来就可以减少指令执行所需要的周期。

举例来说，典型的RISC流水线被分解成五个阶段，每个阶段之间使用触发器链接。

  1. 读取指令
  2. 指令解码与读取寄存器
  3. 执行
  4. 存储器访问
  5. 写回寄存器

优缺点

并非在所有情况下流水线技术都起作用。可能有一些缺点。如果一条指令流水线能够在每一个主频周期接纳一条新的指令，被称为完整流水线（fully pipelined）。因流水线中的指令需要延迟处理而要等待数个主频周期，被称为非完整流水线。

当一名程序员（或者组合者/编译者）编写组合代码（或者汇编码）时，他们会假定每个指令是循序执行的。而这个假设会使流水线无效。当此现象发生后程序会表现的不正常，而此现象就是危害。不过目前有提供几种技术来解决这些危害像是转发与延迟等。

优点

  1. 减少了处理器执行指令所需要的主频周期，在通常情况下增加了指令的输入频率（issue-rate）。
  2. 一些集成电路（combinational circuits），例如加法器（adders）或者乘法器（multipliers），通过添加更多的环路（circuitry）使其工作得更快。如果以流水线替代，能相对地减少环路。

缺点

  1. 非流水线的处理器每次（at a time）只执行一个指令。防止分支延时（事实上，每个分支都会产生延时）和串行指令被并行执行产生的问题。设计比较简单和较低生产成本。
  2. 在执行相同的指令时，非流水线处理器的指令传输延迟时间（The instruction latency）比流水线处理器明显较短。这是因为流水线的处理器必须在数据路径（data path）中添加额外触发器（flip-flops）。
  3. 非流水线处理器有固定指令位宽（a stable instruction bandwidth）。流水线处理器的性能更难以预测，并且不同的程序之间的变化（vary）可能更大。

示例

一般的流水线

 
一般的四层流水线架构；不同的颜色格表示不同的指令

右图是一般有4层流水线的示意图：

  1. 读取指令（Fetch）
  2. 指令解码（Decode）
  3. 执行指令（Execute）
  4. 写回执行结果（Write-back）

上方的大灰色格是一连串未执行的指令；下方的大灰色格则是已执行完成的指令；中间的大白色格则是流水线。

执行顺序如以下列表所示：

时序 执行情况
0 四条指令等待执行
1
  • 从存储器（memory）中读取绿色指令
2
  • 绿色指令被解码
  • 从主存储器中读取紫色指令
3
  • 绿色指令被执行（事实上运算已经开始（performed））
  • 紫色指令被解码
  • 从主存储器中读取蓝色指令
4
  • 绿色指令的运算结果被写回到寄存器（register）或者主存储器
  • 紫色指令被执行
  • 蓝色指令被解码
  • 从主存储器中读取红色指令
5
  • 绿色指令被执行完毕
  • 紫色指令的运算结果被写回到寄存器或者主存储器
  • 蓝色指令被执行
  • 红色指令被解码
6
  • 紫色指令被执行完毕
  • 蓝色指令的运算结果被写回到寄存器或者主存储器
  • 红色指令被执行
7
  • 蓝色指令被执行完毕
  • 红色指令的运算结果被写回到寄存器或者主存储器
8
  • 红色指令被执行完毕
9 所有指令皆执行完毕

汽泡

 
一个气泡在编号为3的主频周期中，指令执行被延迟
主条目：气泡 (电脑运算)

指令执行中产生一个“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的主频周期中，紫色指令的读取被延迟，并且在编号为3的主频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执行，而在其之前已经执行了的指令则不受影响。

由于气泡使指令执行延迟了一个主频周期，完成全部4条指令的执行共需要8个主频周期。

而气泡处对指令的读取、解码、执行与写回都没有实质影响。这可以使用nop代码来完成。

复杂化

很多处理器的流水线深度到5层、7层、10层，甚至31层（像是Intel Pentium 4 Prescott）。Xelerator X10q甚至有多于1000层的流水线深度[1] （页面存档备份，存于互联网档案馆）。

微架构

（Microarchitecture）

流水线层数

（Pipeline stages）

Sony Cell 23
IBM PowerPC 7 17
IBM Xenon 19
AMD Athlon 10
AMD Athlon XP 11
AMD Athlon 64 12
AMD Phenom 12
AMD Opteron 15
ARM7TDMI (-S) 3
ARM7EJ-S 5
ARM810 5
ARM9TDMI 5
ARM1020E 6
XScale PXA210/PXA250 7
ARM1136J (F)-S 8
ARM1156T2 (F)-S 9
ARM Cortex-A5 8
ARM Cortex-A8 13
AVR32 AP7 7
AVR32 UC3 3
DLX 5
Intel P5（Pentium） 5
Intel P6（Pentium Pro） 14
Intel P6（Pentium III） 10
Intel NetBurst（Willamette） 20
Intel NetBurst（Northwood） 20
Intel NetBurst（Prescott） 31
Intel NetBurst（Cedar Mill） 31
Intel Core 14
Intel Atom 16
LatticeMico32 6
R4000 8
StrongARM SA-110 5
SuperH SH2 5
SuperH SH2A 5
SuperH SH4 5
SuperH SH4A 7
UltraSPARC 9
UltraSPARC T1 6
UltraSPARC T2 8
WinChip 4
LC2200 32 bit 5

当程序出现分支将不利于过深流水线，整条流水线将会无效化。为了减轻此状况，分支预测就变的重要。如果分支预测错误，也能够借由自行结束预测来避免加速恶化效率。在某些运用上，像是超级计算机运算，为了能够将超长流水线的运算优势凸显出来，会特地将程序写的极少分支化来避免预测失败，而且深度的流水线主要是为了能降低每个主频执行的指令量而设计。当程序经常出现分支，把分支重新排序（像是将更为需要的指令提早放入流水线中）而将明显的降低损失的速度以避免将分支“冲垮”。像是gcov程序能够使用一种覆盖率检查的技术检查特定分支的执行频率，但是这种检查法经常是优化的最后手段。处理能力高的流水线会因为很多分支的程序而降低效率，这是因为处理器不知道下一个要读取的指令是什么，而需要等待完成分支指令而让流水线清空。处理完分支之后，下一个指令就要经过所有流水线，直到整个指令集的结果出现，而处理器才会再继续执行。而在极端的状况下，流水线处理器的性能理论上可能会与未流水线处理器一致，甚至是每层流水线都在待命状态，而且指令经常在流水线之中跑来跑去时的性能比较差一些。

由于指令流水线，处理器读取机器代码时并不会立即执行。因为如此，在很接近的地方执行更新机器代码的动作就可能无法作用，因为这些机器代码已经进入预读输入队列内。指令缓存又会让此现象更加恶化。不过这只会在能够自我变更的程序出现此现象。

示例

示例一

一个典型的加法指令可能会写成像ADD A, B, C，而中央处理器（CPU）会将存储器（Memory）内A位置与B位置的数值相加后放到C位置。在流水线处理器内，流水线控制器会将这个指令分拆成一连串微指令： 

LOAD R1, A
LOAD R2, B 
ADD R3, R1, R2
STORE R3, C
LOAD next instruction

R1, R2和R3是CPU内的寄存器（register是CPU里面能够快速访问的暂存存储器）。主存储器内标注为A位置和B位置之存储单元中的数值被加载（或称复制）到寄存器R1和R2中，然后送到加法器中相加，结果输出到寄存器R3中，R3中的数值再被存储到主存储器内标注为C位置的存储单元。

而且在非流水线的例子，开始驱动加法动作到完成的时间是不变的。

在这个示例中的流水线分为3层：加载，执行，存储。每一步被称为流水线层（或称流水线阶段，pipeline stages）。

在非流水线处理器中，同一时间只允许一个层运作，所以必须等待指令执行完毕才能开始执行下一条指令。在流水线处理器中，所有的层能在同一时间处理不同的指令。当一条指令在执行层，另外一条指令在解码层，第三条指令在读取层。

流水线没有减少执行指令所花费的时间；它增加了在同一时间被处理的指令数量，并且减少了完成指令之间的延迟。随着处理器中流水线层的数量增加，能在同一时间被处理的指令数量也相应增加，也减少了指令等待处理所产生的延迟。现在生产的微处理器至少有2层流水线。[来源请求]（Atmel AVR与PIC微控制器都有2层流水线）Intel Pentium 4处理器有20层流水线。

示例二

以下表格具体列出3层流水线理论：

流水线层（Stage） 说明（Description）
读取（Load） 从主存储器中读取指令
执行（Execute） 执行指令
存储（Store） 将执行结果存储到主存储器和/或者寄存器

以汇编语言表示将会被执行的指令列表： 

	LOAD  A, #40      ;讀取40載入A內
	MOVE  B, A        ;將A內的数据移动到B內
	ADD   B, #20      ;將B內的數據與20相加
	STORE 0x300, B    ;將B內的數據儲存到地址為0x300的存儲器單元

代码的执行循序如下：

第1周期
读取 执行 存储
LOAD

从主存储器中读取LOAD指令。

第2周期
读取 执行 存储
MOVE LOAD

LOAD指令被执行，同时从主存储器中读取MOVE指令。

第3周期
读取 执行 存储
ADD MOVE LOAD

LOAD指令在存储层（Store stage），LOAD指令的执行结果#40（the number 40）将被存储到寄存器A。同时，MOVE指令被执行。MOVE指令必须等待LOAD指令执行完毕才能将寄存器A中的内容移动到寄存器B中。

第4周期
读取 执行 存储
STORE ADD MOVE

STORE指令被加载，同时MOVE指令执行完毕，并且ADD指令被执行。

注意! 有时候，一个指令会依赖于其他指令的执行结构（例如以上的MOVE指令）。当一个指令因为操作数而需引用一个特定的位置，读取（作为输入）或者写入（作为输入），执行那些指令的循序不同于程序原本的执行循序能导致冒险（hazards）。现时有机种技术用于预防危害，或者绕过（working around）它们。

参见

外部链接

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