什么是流水线？它如何提高执行速度？

Question

我相信，如果这是在惹你生气，那就毫无疑问了。我有关于管道衬里的问题吗？

什么是管道衬里？

理论说：“通过流水线操作，CPU在第一条指令完成之前开始执行第二条指令。流水线导致处理速度更快，因为CPU没有等待一条指令完成机器循环。“

我的问题是考虑我正在开发一个单处理器系统，一次只能执行一条指令，当我的CPU忙时，如何同时执行取出下一条指令？如果我缺乏概念清晰度，请对我有所启发。如果有单独的硬件使同时处理发生，它是什么？请解释一下。

Answer 1

流水线与单处理器系统无关。这与在硬件上执行机器上的单个指令所采取的步骤有很大的关系。

想象一下，您希望实现MIPS“add-immediate”指令addi $d, $s, $t，该指令将存储在$s命名的寄存器中的整数添加到直接编码的整数$t中。指令，并将结果存储在$t命名的寄存器中。考虑一下您需要采取的步骤。这是打破它的一种方法（例如，这不一定与真实硬件相对应）：

1. 解析（二进制编码）指令以找出它是哪条指令。
2. 一旦您发现它是addi指令，就会解析出源寄存器和目标寄存器以及要添加的文字整数。
3. 读取适当的寄存器，并计算其值和立即整数的总和。
4. 将结果写入指定的结果寄存器。

现在请记住，所有这些都需要在硬件中构建，这意味着每个物体都有与之相关的物理电路。如果你一次执行一条指令，这些电路的四分之三将处于空闲状态，一直无所事事。流水线技术利用了这一观察结果：如果处理器需要连续执行两条addi指令，那么它可以：

1. 确定第一个
2. 解析第一个，并确定第二个具有空闲的电路
3. 添加第一个
并解析第二个
4. 写出第一个，然后添加第二个
5. 写出第二个

所以现在，即使每条指令需要4个处理轮次，处理器总共只完成5轮完成两条指令。

这很复杂，因为有时你必须等到一条指令完成才知道下一条指令要做什么（或者甚至是下一条指令要做什么），但那是基本的想法。 / p>

Answer 2

确实有用于获取的单独硬件。有一大堆独立的硬件，排列在一个管道中。每个部分同时执行单独指令的一部分。在每个时钟边沿，一个阶段的结果将传递到下一个阶段。

Answer 3

我不会试图将一年的大学课程塞进这个文本框，而是指向一本教科书，详细解释整个主题：

Hennessy, John L.; and Patterson, David A. Computer Architecture, Fifth Edition: A Quantitative Approach. Morgan Kauffman.

Answer 4

想想那些如何制作或其他电视节目，你看到一个工厂在行动。想想你可能已经读过或看过的关于汽车工厂的信息。 “汽车”作为框架或车身从工厂开始移动，并在移动时添加东西。如果你坐在建筑物的外面，你会看到轮胎，油漆罐和钢丝卷和钢卷进入建筑物，并有稳定的汽车流出。仅仅因为它是单个（单处理器）工厂并不意味着它不能拥有装配线（管道）。具有管道的单处理器实际上不是必须一次执行一条指令，而不是工厂中的汽车一次构建一辆汽车。这辆车的一点点构造发生在它经过的每个车站，同样地，你的程序的执行在管道中的每个站点发生一点点。

管道中的典型简单阶段是获取，解码和执行三个阶段。执行一条指令需要三个时钟，最小（通常由于I / O缓慢而导致更多），可以说管道中有三个阶段。虽然指令a处于执行阶段，但是指令b正在被解码并且指令c被取出。回到汽车工厂，他们可能会生产“每7分钟一辆车”，这并不意味着制造汽车需要7分钟，制造汽车可能需要一周的时间，但他们每7分钟开一个新车，平均每个车站的时间是这样的，你可以每隔7分钟滚出一个车门。同样在这里，使用管道并不意味着您可以以处理器的时钟速率获取，解码和执行所有三个步骤。就像工厂一样，它更像是 平均的事情。如果您能够以处理器时钟速率为流水线中的每个级提供信号，那么它将在每个时钟完成一条指令（如果设计的话）。这些天你不能快速提供数据/指令，并且存在管道停滞等，这导致你必须重新开始或丢弃一些进度并备份一些。

流水线操作只是采用装配线方法在处理器中执行指令。

Answer 5

我认为它是在代码中有分支时使用的，逻辑预测将采用哪个分支，并将该分支的指令预加载到缓存中。如果预测被证明是假的，那么它需要丢弃那些指令并加载备用，导致丢失。但我相信代码中有一些模式可以使预测更加频繁，尤其是现代编译器反复重复模式。

我不了解实际的实现，但我并不认为必须使用额外的硬件，尽管它对最佳速度很有用。