什么是流水线技术? 河南 周珩珩 1996-04-12 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，但对许多非专业性的读者来说，这个名词过于抽象，加上P6(高能奔腾)应用的超流水线(Super Pipeline)技术，更令人一头雾水，不知所云。本文试图以简单、形象、非专业的语言来介绍这一技术，以加深大家对其的理解。 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，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。 第一、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单元并行支持。 第二、在执行中采取了无序执行(out-of-order processing)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。 第三、在P6中将指令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?我个人认为，还远远未到，在P7中也许我们将看到全新的设计。