流水線
開放分類： 計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)化、工業(yè)自動(dòng)化、輸送機(jī)、輸送設(shè)備
流水線技術(shù)的由來
從前在英格蘭北部的一個(gè)小鎮(zhèn)里，有一個(gè)名叫艾薇的人開的魚和油煎土豆片商店。在店里面，每位顧客需要排隊(duì)才能點(diǎn)他（她）要的食物（比如油炸鱈魚，油煎土豆片，豌豆糊，和一杯茶）。然后每個(gè)顧客等著盤子裝滿后坐下來進(jìn)餐。
艾薇店里的油煎土豆片是小鎮(zhèn)中最好的，在每個(gè)集市日中午的時(shí)候，長長的隊(duì)伍都會(huì)排出商店。所以當(dāng)隔壁的木器店關(guān)門的時(shí)候，艾薇就把它租了下來并加了一倍的桌椅。但是這仍然不能容納下所有的顧客。外面排著的隊(duì)伍永遠(yuǎn)那么長，忙碌的小鎮(zhèn)居民都沒有時(shí)間坐下來等他們的茶變涼。
他們沒辦法再另外增加服務(wù)臺(tái)了；艾薇的鱈魚和伯特的油煎土豆片是店里面的主要賣點(diǎn)。但是后來他們想出了一個(gè)聰明的辦法。他們把柜臺(tái)加長，艾薇，伯特，狄俄尼索斯和瑪麗站成一排。顧客進(jìn)來的時(shí)候，艾薇先給他們一個(gè)盛著魚的盤子，然后伯特給加上油煎土豆片，狄俄尼索斯再給盛上豌豆糊，最后瑪麗倒茶并收錢。顧客們不停的走動(dòng)；當(dāng)一個(gè)顧客拿到豌豆糊的同時(shí)，他后面的已經(jīng)拿到了油煎土豆片，再后面的一個(gè)已經(jīng)拿到了魚。一些窮苦的村民不吃豌豆糊-但這沒關(guān)系，這些顧客也能從狄俄尼索斯那里得個(gè)笑臉。
這樣一來隊(duì)伍變短了，不久以后，他們買下了對(duì)面的商店又增加了更多的餐位。這就是流水線。將那些具有重復(fù)性的工作分割成幾個(gè)串行部分，使得工作能在工人們中間移動(dòng)，每個(gè)熟練工人只需要依次的將他的那部分工作做好就可以了。雖然每個(gè)顧客等待服務(wù)的總時(shí)間沒變，但是卻有四個(gè)顧客能同時(shí)接受服務(wù)，這樣在集市日的午餐時(shí)段里能夠照顧過來的顧客數(shù)增加了三倍。
計(jì)算機(jī)流水線
計(jì)算機(jī)流水線是Intel首次在486芯片中開始使用的。流水線的工作方式就象工業(yè)生產(chǎn)上的裝配流水線。在CPU中由5—6個(gè)不同功能的電路單元組成一條指令處理流水線，然后將一條X86指令分成5—6步后再由這些電路單元分別執(zhí)行，這樣就能實(shí)現(xiàn)在一個(gè)CPU時(shí)鐘周期完成一條指令，因此提高CPU的運(yùn)算速度。經(jīng)典奔騰每條整數(shù)流水線都分為四級(jí)流水，即指令預(yù)取、譯碼、執(zhí)行、寫回結(jié)果，浮點(diǎn)流水又分為八級(jí)流水。
計(jì)算機(jī)流水線（Pipeline）技術(shù)是目前廣泛應(yīng)用于微處理芯片（CPU）中的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，計(jì)算機(jī)流水線技術(shù)指的是對(duì)CPU內(nèi)部的各條指令的執(zhí)行方式的一種形容，要了解它，就必須先了解指令及其執(zhí)行過程。
一、計(jì)算機(jī)指令及其執(zhí)行過程
計(jì)算機(jī)指令，就是告訴CPU要做什么事的一組特定的二進(jìn)制集合。如果我們將CPU比喻成一個(gè)加工廠，那么，一條指令就好比一張訂單，它引發(fā)了CPU_加工廠的一系列動(dòng)作，最后分別得到了運(yùn)算結(jié)果和產(chǎn)品。那么，它們到底是怎樣工作的呢？首先，要有一個(gè)接收訂單的部門——CPU的取指令機(jī)構(gòu)；其次，還要有完成訂單的車間——CPU的執(zhí)行指令機(jī)構(gòu)。在工廠中，一張訂單上的產(chǎn)品被分成了許多道工序，而指令亦在CPU中轉(zhuǎn)換成了許多條對(duì)應(yīng)的微操作，依次完成它們，就執(zhí)行完了整條指令。
二、執(zhí)行指令的方式及流水線技術(shù)
在低檔的CPU中，指令的執(zhí)行是串行的，簡單地說，就是執(zhí)行完了一條指令后、再執(zhí)行下一條指令，好比我們上面提到的那個(gè)加工廠在創(chuàng)業(yè)之初，只有一間小車間及孤軍奮戰(zhàn)的老板，那么，當(dāng)他接到一張訂單之后，他必然忙于完成第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(zhí)行指令→取指令→……是一個(gè)串行的過程。后來，老板發(fā)現(xiàn)接受訂單不費(fèi)太多時(shí)間，而且他還有了一個(gè)幫工，他們可以相互獨(dú)立地工作，這樣，老板就在完成上張訂單產(chǎn)品的同時(shí)，接受下一張訂單的訂貨。這表現(xiàn)在CPU上就是取指令機(jī)構(gòu)與執(zhí)行指令機(jī)構(gòu)的分開，這樣從CPU整體來看，CPU在執(zhí)行上條指令的同時(shí)，又在并行地取下條指令。這在CPU技術(shù)上是一個(gè)質(zhì)的飛躍，它使得CPU從串行工作變?yōu)椴⑿泄ぷ?，從而具有了流水線的雛型。
CPU在完成了上面這一步之后，剩下的就是如何提高并行處理能力的問題了，CPU的設(shè)計(jì)者們從加工廠的裝配線得到啟發(fā)，將一條指令的執(zhí)行分解成了許多各不相同的多個(gè)工序＿微指令，從而極大地簡化了指令的復(fù)雜度，簡化了邏輯設(shè)計(jì)，提高了速度。在具有流水線技術(shù)的CPU中，上條指令剛執(zhí)行完第一道“工序”，馬上第二條指令就加人了流水線中，開始執(zhí)行。很明顯，這種流水線技術(shù)要求有多個(gè)執(zhí)行單元，這在X86芯片中均得到了實(shí)現(xiàn)。
通過上面的介紹，我們已經(jīng)了解到什么是流水線技術(shù)，這雖不是一種創(chuàng)新，但在技術(shù)的實(shí)現(xiàn)上則是一大難關(guān)，是CPU設(shè)計(jì)者對(duì)計(jì)算機(jī)發(fā)展的一大貢獻(xiàn)。
那么，P6芯片的超流水線又是怎么回事呢？
三、P6的超流水線簡介
超流水線（Super Pipeline）在本質(zhì)上仍為一種流水線技術(shù)，但它做了以下的改進(jìn)。
1．流水線條數(shù)從奔騰的兩條增至三條，還有十一個(gè)獨(dú)立的執(zhí)行單元并行支持。
2．在執(zhí)行中采取了無序執(zhí)行（out－of－orderprocessing）技術(shù)。即當(dāng)某條指令需要一些數(shù)據(jù)而未能立即執(zhí)行完畢時(shí)，它將被剔出流水線并等待數(shù)據(jù)，CPU則馬上執(zhí)行下條指令，就好比在裝配線上發(fā)現(xiàn)某件產(chǎn)品不太合格，而被淘汰，等待返工一個(gè)道理。這樣，可以防止一條指令不能執(zhí)行而影響了整個(gè)流水線的效率。
3．在P6中將指令劃分成了更細(xì)的階段，從而使邏輯設(shè)計(jì)、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(gè)標(biāo)準(zhǔn)的部分，奔騰亦是如此。而在P6中，由于采用了近似于RISC的技術(shù)，一條指令被劃分成了創(chuàng)紀(jì)錄的十四個(gè)階段。這極大地提高了流水線的速度。
那么，P6的超流水線技術(shù)是否將流水線工藝發(fā)揮到了極限呢？還遠(yuǎn)遠(yuǎn)未到，在P7中也許我們將看到全新的設(shè)計(jì)。
