指令流水线的工作原理

要理解指令流水线，先大概回顾一下CPU的内部结构：

图a

图b

由上面两个图我们知道，一条指令要被执行，需要通过一个电路把指令从存储器中取出，放进CPU里面，再由CPU里面的另一个电路ALU去执行（图b中的左边部分）。也就是说，取指令和执行指令是由两部分不同的电路完成的。

图1

上图是指令一条一条执行的过程。

图2

图2表示，当指令执行部件的某一部分电路空闲的时候，这个时候就可以采用流水线的方式。图中的一个方框表示一个时间周期。

这一部分表示对于第一条指令来说，当进入第二个时间周期，它已经处于执行阶段，ALU电路部分在工作，但是用于取指令的那部分电路空闲了，所以这部分取指令电路可以用于取出第二条指令，这就是指令流水线的基本原理。

图3

这个和我们工厂的流水线是一样的道理，流水线上不同的工人代表不同的电路部分。

上图是一条指令需要六个不同的电路进行配合。

当采用流水线以后，会出现一些问题，比如，在写后读相关问题中，第二条指令开始工作的时候，R1的内容必须已经确定，否则就会出错。对于这样的问题，就要有相应的解决办法。

由流水线产生了一些相应的技术：

上图中的一个方格代表一个时钟周期，在同一个时钟周期里面，可以有4条或者3条指令同时并发执行。注意，是并发，而不是并行，意味着CPU还是一个，只不过是利用不同的时间片。

上图中的一个时钟周期被多条指令分开，也就是说，执行指令的某一个动作的某个电路部分，不必等这个时钟周期结束，在同一个时钟周期内，就可以执行另外一条指令。比如，假定图3中的每个工人完成一个动作（检查一个零件或者打一个螺丝）规定为1分钟（时钟周期），但在超流水线技术里面，这个工人10秒钟就检查完了一个零件，剩下的50秒就可以检查另外的零件。

审核编辑：汤梓红