1、流 水 线 技 术 的 由 来1769 年 ， 英 国 人 乔 赛 亚 韦 奇 伍 德 开 办 埃 特 鲁 利 亚 陶 瓷 工 厂 ， 在 场 内 实行 精 细 的 劳 动 分 工 ， 他 把 原 来 由 一 个 人 从 头 到 尾 完 成 的 制 陶 流 程 分 成 几 十 道专 门 工 序 ， 分 别 由 专 人 完 成 。 这 样 一 来 ， 原 来 意 义 上 的 “制 陶 工 ”就 不 复 存在 了 ， 存 在 的 只 是 挖 泥 工 、 运 泥 工 、 扮 土 工 、 制 坯 工 等 等 制 陶 工 匠 变 成 了 制陶 工 场 的 工 人 ， 他 们 必 须 按 固 定 的 工
2、作 节 奏 劳 动 ， 服 从 统 一 的 劳 动 管 理 。计 算 机 流 水 线计 算 机 流 水 线 是 Intel 首 次 在 486 芯 片 中 开 始 使 用 的 。 流 水 线 的 工 作 方式 就 象 工 业 生 产 上 的 装 配 流 水 线 。 在 CPU 中 由 56 个 不 同 功 能 的 电 路 单 元组 成 一 条 指 令 处 理 流 水 线 ， 然 后 将 一 条 X86 指 令 分 成 56 步 后 再 由 这 些 电路 单 元 分 别 执 行 ， 这 样 就 能 实 现 在 一 个 CPU 时 钟 周 期 完 成 一 条 指 令 ， 因 此 提高 CPU 的
3、运 算 速 度 。 经 典 奔 腾 每 条 整 数 流 水 线 都 分 为 四 级 流 水 ， 即 指 令 预 取 、译 码 、 执 行 、 写 回 结 果 ， 浮 点 流 水 又 分 为 八 级 流 水 。 计 算 机 流 水 线 （ Pipeline） 技 术 是 目 前 广 泛 应 用 于 微 处 理 芯 片 （ CPU）中 的 一 项 关 键 技 术 ， 计 算 机 流 水 线 技 术 指 的 是 对 CPU 内 部 的 各 条 指 令 的 执 行方 式 的 一 种 形 容 ， 要 了 解 它 ， 就 必 须 先 了 解 指 令 及 其 执 行 过 程 。 1、 计 算 机 指 令 及
4、 其 执 行 过 程计 算 机 指 令 ， 就 是 告 诉 CPU 要 做 什 么 事 的 一 组 特 定 的 二 进 制 集 合 。 如 果我 们 将 CPU 比 喻 成 一 个 加 工 厂 ， 那 么 ， 一 条 指 令 就 好 比 一 张 订 单 ， 它 引 发 了CPU_加 工 厂 的 一 系 列 动 作 ， 最 后 分 别 得 到 了 运 算 结 果 和 产 品 。 那 么 ， 它 们 到底 是 怎 样 工 作 的 呢 ？ 首 先 ， 要 有 一 个 接 收 订 单 的 部 门 CPU 的 取 指 令 机 构 ；其 次 ， 还 要 有 完 成 订 单 的 车 间 CPU 的 执 行
5、指 令 机 构 。 在 工 厂 中 ， 一 张 订单 上 的 产 品 被 分 成 了 许 多 道 工 序 ， 而 指 令 亦 在 CPU 中 转 换 成 了 许 多 条 对 应 的微 操 作 ， 依 次 完 成 它 们 ， 就 执 行 完 了 整 条 指 令 。 2、 执 行 指 令 的 方 式 及 流 水 线 技 术在 低 档 的 CPU 中 ， 指 令 的 执 行 是 串 行 的 ， 简 单 地 说 ， 就 是 执 行 完 了 一 条指 令 后 、 再 执 行 下 一 条 指 令 ， 好 比 我 们 上 面 提 到 的 那 个 加 工 厂 在 创 业 之 初 ，只 有 一 间 小 车 间
6、及 孤 军 奋 战 的 老 板 ， 那 么 ， 当 他 接 到 一 张 订 单 之 后 ， 他 必 然忙 于 完 成 第 1 张 订 单 ， 而 没 有 能 力 去 接 第 2 张 订 单 。 这 样 接 订 单 完 成 订 单 接 订 单 取 指 令 执 行 指 令 取 指 令 是 一 个 串 行 的 过 程 。 后 来 ，老 板 发 现 接 受 订 单 不 费 太 多 时 间 ， 而 且 他 还 有 了 一 个 帮 工 ， 他 们 可 以 相 互 独立 地 工 作 ， 这 样 ， 老 板 就 在 完 成 上 张 订 单 产 品 的 同 时 ， 接 受 下 一 张 订 单 的 订货 。 这
7、表 现 在 CPU 上 就 是 取 指 令 机 构 与 执 行 指 令 机 构 的 分 开 ， 这 样 从 CPU 整体 来 看 ， CPU 在 执 行 上 条 指 令 的 同 时 ， 又 在 并 行 地 取 下 条 指 令 。 这 在 CPU 技术 上 是 一 个 质 的 飞 跃 ， 它 使 得 CPU 从 串 行 工 作 变 为 并 行 工 作 ， 从 而 具 有 了 流水 线 的 雏 型 。 CPU 在 完 成 了 上 面 这 一 步 之 后 ， 剩 下 的 就 是 如 何 提 高 并 行 处 理 能 力 的 问 题了 ， CPU 的 设 计 者 们 从 加 工 厂 的 装 配 线 得
8、到 启 发 ， 将 一 条 指 令 的 执 行 分 解 成 了许 多 各 不 相 同 的 多 个 工 序 _微 指 令 ， 从 而 极 大 地 简 化 了 指 令 的 复 杂 度 ， 简 化 了逻 辑 设 计 ， 提 高 了 速 度 。 在 具 有 流 水 线 技 术 的 CPU 中 ， 上 条 指 令 刚 执 行 完 第一 道 “工 序 ”， 马 上 第 二 条 指 令 就 加 入 了 流 水 线 中 ， 开 始 执 行 。 很 明 显 ， 这种 流 水 线 技 术 要 求 有 多 个 执 行 单 元 ， 这 在 X86 芯 片 中 均 得 到 了 实 现 。 通 过 上 面 的 介 绍 ，
9、 我 们 已 经 了 解 到 什 么 是 流 水 线 技 术 ， 这 虽 不 是 一 种 创新 ， 但 在 技 术 的 实 现 上 则 是 一 大 难 关 ， 是 CPU 设 计 者 对 计 算 机 发 展 的 一 大 贡献 。 那 么 ， P6 芯 片 的 超 流 水 线 又 是 怎 么 回 事 呢 ？ 3、 P6 的 超 流 水 线 简 介超 流 水 线 （ Super Pipeline） 在 本 质 上 仍 为 一 种 流 水 线 技 术 ， 但 它 做 了以 下 的 改 进 。 A 流 水 线 条 数 从 奔 腾 的 两 条 增 至 三 条 ， 还 有 十 一 个 独 立 的 执 行
10、单 元 并 行支 持 。 B 在 执 行 中 采 取 了 无 序 执 行 （ out of orderprocessing） 技 术 。 即当 某 条 指 令 需 要 一 些 数 据 而 未 能 立 即 执 行 完 毕 时 ， 它 将 被 剔 出 流 水 线 并 等 待数 据 ， CPU 则 马 上 执 行 下 条 指 令 ， 就 好 比 在 装 配 线 上 发 现 某 件 产 品 不 太 合 格 ，而 被 淘 汰 ， 等 待 返 工 一 个 道 理 。 这 样 ， 可 以 防 止 一 条 指 令 不 能 执 行 而 影 响 了整 个 流 水 线 的 效 率 。 C 在 P6 中 将 指 令
11、划 分 成 了 更 细 的 阶 段 ， 从 而 使 逻 辑 设 计 、 工 序 等 等 更为 简 化 ， 提 高 了 速 度 。 在 486 芯 片 中 ， 一 条 指 令 一 般 被 划 分 为 五 个 标 准 的 部分 ， 奔 腾 亦 是 如 此 。 而 在 P6 中 ， 由 于 采 用 了 近 似 于 RISC 的 技 术 ， 一 条 指 令被 划 分 成 了 创 纪 录 的 十 四 个 阶 段 。 这 极 大 地 提 高 了 流 水 线 的 速 度 。 那 么 ， P6 的 超 流 水 线 技 术 是 否 将 流 水 线 工 艺 发 挥 到 了 极 限 呢 ？ 还 远 远 未到 ， 在 P7 中 也 许 我 们 将 看 到 全 新 的 设 计 。 流 水 线 与 生 产 线 的 区 别 ： 流 水 线 是 指 一 个 生 产 车 间 在 一 条 流 水 线 机 上 完成 操 作 流 程 。 而 生 产 线 是 指 工 厂 的 整 体 生 产 流 程 。 比 如 从 接 单 ， 开 始 设 计 到大 量 生 产 。 这 是 生 产 流 程 。
