筆者能力有限，如果文章出現(xiàn)錯(cuò)誤的地方歡迎各位朋友能夠給我指出來(lái)，我將不勝感激，謝謝~

前言

在之前的兩篇文章中，在 程序是如何在 CPU 中運(yùn)行的（一）中講述了一條一條指令和數(shù)據(jù)是如何在 CPU 中被運(yùn)行的，在 程序是如何在 CPU 中運(yùn)行的 （二）中以 PC 寄存器為中心，從匯編語(yǔ)言的角度闡述了程序是如何在 CPU 中有序執(zhí)行的，該篇文章講述流水線機(jī)制在 CPU 中的應(yīng)用。

相關(guān)概念

在進(jìn)入流水線的講解之前，有必要知道兩個(gè)概念，一個(gè)是指令周期，一個(gè)是時(shí)鐘周期。

• 指令周期：指令周期的意思從其名稱(chēng)就能看出來(lái)，就是運(yùn)行一條指令的時(shí)間，筆者在該系列文章的第一篇中說(shuō)到一條指令的運(yùn)行能夠大致分為三個(gè)階段：取指 -> 譯碼 -> 執(zhí)行，也就是說(shuō)這三個(gè)階段執(zhí)行的總的時(shí)間就是指令周期，也可以用下面這樣的一張圖表示，循環(huán)的執(zhí)行取指，譯碼，執(zhí)行的周期就稱(chēng)之為指令周期。
  

• 時(shí)鐘周期：時(shí)鐘周期就是我們 CPU 的主頻，也就是晶振帶來(lái)的每一次“滴答”，就是時(shí)鐘周期時(shí)間。
  了解了這兩個(gè)概念之后，我們首先來(lái)看單指令周期處理器。

單指令周期處理器

在引入流水線機(jī)制之前，先來(lái)看看單指令周期處理器，之所以稱(chēng)之為單指令周期處理器，是因?yàn)檫@樣機(jī)制的處理器在運(yùn)行一條指令的時(shí)候，從取指到譯碼到執(zhí)行，不能有第二條指令的加入，也就是說(shuō)如果前后有兩條指令需要運(yùn)行，那第二條指令的運(yùn)行必須等待第一條指令運(yùn)行完畢之后才能得到運(yùn)行。
前文所述一條指令大致可以分為三個(gè)階段執(zhí)行，而這個(gè)過(guò)程的執(zhí)行，至少都需要一個(gè)時(shí)鐘周期，因?yàn)樵谌≈傅臅r(shí)候我們的 PC 指針寄存器在一個(gè)時(shí)鐘周期的驅(qū)動(dòng)下遞增，從而實(shí)現(xiàn)下一條指令的取指，同樣的，為了盡可能地提高 CPU 效率，我們也希望指令的運(yùn)行能夠在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成，既然所有的指令的運(yùn)行都在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)運(yùn)行，但是指令各有不同，有的指令執(zhí)行的時(shí)間長(zhǎng)，有的指令執(zhí)行的時(shí)間短，因此，為了兼顧所有指令都能夠得到運(yùn)行，那么時(shí)鐘周期就應(yīng)該滿足執(zhí)行時(shí)間最長(zhǎng)的指令的運(yùn)行，下面展示了三條不同的指令在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)所占的時(shí)間。

通過(guò)上圖我們可以明顯的看到采用單指令周期機(jī)制的弊端，時(shí)鐘周期受到最長(zhǎng)執(zhí)行時(shí)間指令的影響，而對(duì)于執(zhí)行時(shí)間較短的指令來(lái)說(shuō)，又會(huì)有大部分時(shí)間處于啥也干不了的狀態(tài)，浪費(fèi)了資源，這樣的機(jī)制雖然使得每一條指令都在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)就執(zhí)行完畢了，但是也降低了 CPU 的主頻，因?yàn)槿绻叩脑?，有些?fù)雜的指令就不能執(zhí)行完。
基于此，也就有了流水線技術(shù)的出現(xiàn)。

流水線設(shè)計(jì)

流水線的概念來(lái)源于工業(yè)制造領(lǐng)域，可以以汽車(chē)裝配為例子來(lái)解釋流水線的工作方式，假設(shè)裝配一輛汽車(chē)需要四個(gè)步驟：沖壓 -> 焊接 -> 涂裝 -> 總裝，最簡(jiǎn)單的方式就是先裝配一輛汽車(chē)，裝配完一輛之后，在裝下一輛，這樣的方式就類(lèi)似我們上述講的單指令周期處理器的工作方式。所以為了使得工作效率提高，人們提出了流水線的工作方式，也就是說(shuō)當(dāng)?shù)谝惠v汽車(chē)裝配到第二道工序(焊接)的時(shí)候，第二輛汽車(chē)開(kāi)始第一道工序(沖壓)，這樣也就不會(huì)使得第一輛汽車(chē)裝配完了之后才裝配第二輛汽車(chē)，大大地提高了工作效率。
那么 CPU 又是如何以流水線機(jī)制運(yùn)行的呢？我們?cè)谇拔囊恢痹谏婕暗揭粋€(gè)概念，就是說(shuō)一條指令的運(yùn)行大致可以分為三個(gè)階段：取址 ->譯碼 -> 執(zhí)行，在這里我們將其再進(jìn)行細(xì)分，因?yàn)樵谡麄€(gè)的執(zhí)行過(guò)程中，還包括從寄存器或者內(nèi)存中讀取數(shù)據(jù)，通過(guò) ALU 進(jìn)行計(jì)算，再將結(jié)果寫(xiě)回到寄存器或者內(nèi)存中，所以，也就是說(shuō)一條指令的運(yùn)行也可以細(xì)分為五個(gè)階段，如下圖所示：

這細(xì)分的各個(gè)步驟就像汽車(chē)裝配的各個(gè)工序，在單指令周期中，必須等一條指令運(yùn)行完上述所有的步驟之后，才進(jìn)行下一條指令的運(yùn)行，但是引入流水線之后，當(dāng)?shù)谝粭l指令執(zhí)行到第二個(gè)步驟(譯碼)的時(shí)候，第二條指令就可以執(zhí)行第一個(gè)步驟(取指)了，詳細(xì)地運(yùn)行步驟如下圖所示：

通過(guò)上圖可以很清楚地看到指令流水線的執(zhí)行過(guò)程，這里要指出的一點(diǎn)是由于上圖將一條指令的執(zhí)行過(guò)程拆分成了五個(gè)步驟來(lái)執(zhí)行，所以上述所示的流水線也被稱(chēng)之為五級(jí)流水線，在圖中我們可以看到取指和譯碼兩個(gè)步驟不是緊挨著的，這是因?yàn)樽g碼這個(gè)步驟執(zhí)行的時(shí)間要短于取指執(zhí)行的時(shí)間，所以在執(zhí)行譯碼之前要等待一會(huì)兒。另外，圖中，筆者用紅色箭頭標(biāo)注了一個(gè)時(shí)鐘周期所對(duì)應(yīng)的指令，可以看到在這個(gè)時(shí)鐘周期里運(yùn)行著五條指令的不同階段。因此，對(duì)于五級(jí)流水線的定義也可以是這樣的：五級(jí)的流水線，就表示我們?cè)谕粋€(gè)時(shí)鐘周期里面，同時(shí)運(yùn)行五條指令的不同階段。至此，關(guān)于流水線的基本概念就介紹完了，下面，我們來(lái)看一下，使用流水線相和單指令周期運(yùn)行同樣的指令的差異。

單指令周期和流水線的比較

首先，我們看這樣一個(gè)例子，我們順序執(zhí)行三條指令：

1. 一條整數(shù)的加法，需要 200ps

2. 一條整數(shù)的乘法，需要 300ps

3. 一條浮點(diǎn)數(shù)的乘法，需要 600ps

根據(jù)前文所述，單指令周期處理器的時(shí)鐘周期取決于執(zhí)行時(shí)間最長(zhǎng)的指令，在這里也就是 600 ps，那么在單指令周期下三條指令的執(zhí)行過(guò)程是這樣的：

通過(guò)上圖我們可以看到受到最長(zhǎng)執(zhí)行時(shí)間指令的影響，現(xiàn)在的時(shí)鐘周期為 600ps,并且由于是單指令周期，指令的執(zhí)行必須執(zhí)行完第一條之后才能執(zhí)行第二條，因此，執(zhí)行完三條指令的時(shí)間是 1800 ps。
我們接下來(lái)看有流水線技術(shù)后，指令的執(zhí)行時(shí)間是多少，為了使得圖更加直觀，這里采用6級(jí)流水線，時(shí)鐘周期定為 100 ps,執(zhí)行示意圖如下：

通過(guò)上圖可以看到流水線技術(shù)的引入使得指令的運(yùn)行不必等待上一條指令完全執(zhí)行完才執(zhí)行下一條指令，從花費(fèi)的時(shí)間上看 6 級(jí)流水線執(zhí)行三條指令花費(fèi)了 800 ps，而單指令周期處理器卻花費(fèi)了 1800 ps，可見(jiàn)差距是巨大的。

嵌入式處理器流水線

上述便是關(guān)于單指令周期和流水線的大致內(nèi)容，那在嵌入式中常用的處理器又是怎么一回事呢，我們拿我們經(jīng)常接觸的 ARM Cortex M3 的處理器來(lái)說(shuō)，下圖是筆者在權(quán)威指南中看到的一張圖：

從圖中我們可以看到，Cortex-M3處理器是三級(jí)流水線，在指令的運(yùn)行過(guò)程中，處理器將其分為 取指 -> 譯碼 -> 執(zhí)行 三個(gè)步驟。而我們常見(jiàn)的 51 單片機(jī)在運(yùn)行時(shí)是沒(méi)有流水線的，也可以理解為單流水線。

總結(jié)

上述就是關(guān)于流水線技術(shù)和單指令周期的相關(guān)內(nèi)容，當(dāng)然這只是很小的一部分，真實(shí)的處理器上的流水線遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止如此，還會(huì)涉及到其他的處理，比如分支預(yù)測(cè)，亂序執(zhí)行等等，詳細(xì)系統(tǒng)的知識(shí)還得學(xué)習(xí)計(jì)算機(jī)組成原理的相關(guān)內(nèi)容，這次的分享就到這里啦~

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