一步步编写操作系统 27 处理器微架构之流水线简介

了解处理器内部硬件架构，有助于理解软件运行原理，因为这两者本身相辅相成，相互依存。就像枪和狙击手，枪的操作和外形设计都是要根据人体工学，让人不仅操作容易，而且携带也要轻便，做到能随时射出子弹击中目标，枪赋予了人的使命。反过来，狙击手要根据枪的操作和外形设计，找到发挥其最大命中率的方法，做到人枪合一，人赋予了枪的生命.

记得2002年末我在中关村攒了台电脑，当时的最新的桌面cpu是奔4-2.4b，我一咬牙就买它了，当时可花了兄弟我1600块呢，话说当时一个月只挣1500块。其中2.4是指cpu的主频是2.4G。您看，对于cpu的选择，我当时只关注主频，根本不关注其它参数，其实主要是不懂其它参数，哈哈。后来才懂了cpu中另一个非常重要的技术，这就是流水线。

说到流水线，也许您脑子中马上联想到：工厂里一个穿着蓝色工作服的工人，站在像传送带一样的工作台前紧张而有节奏的工作。也许您会问，你怎么知道我是这么想的？哎……电视里都这么演的……没错，这就是流水线。可是这个例子毕竟太遥远，并不是所有同学都在工厂里做过流水线工人，咱们还是拿生活中的例子说事。

大伙儿都有租房子的经历吗？如果没有也没关系，重点不是租房子，我要说的是像我等北漂一族，为了充分利用房子里狭小的空间，肯定用锤子往墙上砸过钉子，您懂的，可以挂东西嘛^_^。

从宏观上看，砸钉子可以分两个步骤：

取钉子
砸钉子

假设每一步都占用1秒，钉钉子这两个步骤下来是2秒，如果顺序执行这两个步骤，一分钟可以砸30个钉子。过程如表

以上是以串行顺次的方式来砸钉子，不过这种串行的效率实在有限，如果改为并行的方式砸钉子，效率必然大大提高。

生活中处处是并行的例子，最为典型的并行系统就是咱们的身体。比如心脏在为身体泵血的时候，肺同时在保持呼吸为身体供氧，小肠也同时在蠕动，为人体汲取养分。这些器官的活动都是并行的，并不是在心脏跳动完之后，小肠再蠕动，它们的工作是彼此独立无关联的。人体内部的器官虽然是在并行工作，但他们做为一个整体——人，却同一时间只能做好一件事，所以一心不能二用。

如果以“并行”的方式，也就是同时砸钉子，那得多增加人手才行，一个人同时只能做一件事，并且要么拿钉子，要么砸钉子。下面给砸钉子的工作增加个人手，专门给取钉子，这样一个人取钉子，另一个人专门来砸钉子，取钉子和砸钉子的工作重叠进行，过程如表:

上面的并行我加了引号，因为它并不是真正的并行，这是在重叠执行。重叠的意思是说在同一时间内同时完成两个钉子的部分工序，拿第2秒来说，第一行的“砸钉子”是砸的第一个钉子，第二行的“取钉子”取的是第二个钉子，做的并不都是第一个钉子的工序。真正的并行是两个人自己取自己的钉子，然后自己砸自己的钉子，各干各的。而我们的例子中，取钉子的人只会取钉子，砸钉子的人也只会砸钉子。

增加了一个人手之后，除第1秒外，每一秒都有“砸钉子”的动作，所以第一分钟内可以砸入59根钉子，在第二分钟以后，每分钟能砸60个。

以上表4-13的过程便是一个流水线的执行过程，由于砸钉子分为两个步骤，所以以上流水线称为二级流水线。

这种情况在cpu中也是一样的，指令执行单元EU是执行指令的唯一部件，一次只能执行一个指令，单核cpu的情况下，只有一个指令处于执行中。cpu中的各部分也是同时只能做一件事，但它们就像身体器官一样，也是在并行工作，相当于多个“人手”。cpu的指令执行过程分为取指令、译码、执行三个步骤。每个步骤都是独立执行的，cpu可以可以一边执行指令，一边取指令，一边译码。cpu中的时序不是秒，对cpu来说，秒就是天文数字。它的时序是时钟周期。按照这三个步骤，其三级流水线如表

以上在第2周期后，都有指令在执行，这是最基本的流水线啦。为了更好的理解以后的分支预测，在此提醒一下大伙儿：虽然在一个时钟周期内cpu同时干了三件事，但一定要清楚，这三件事不属于同一个指令，是三个指令重叠在一起了，这和砸钉子的流水线是一样的道理。同时完成的是当前指令的第三步、下一条指令的第二步，第三条指令的第一步。cpu中每条指令必须经过取指、译码、执行三步才算完成。

cpu是按照程序中指令顺序来填充流水线的，也就是说按照程序计数器PC(x86中是cs:ip)中的值来装载流水线，当前指令和下一条指令在空间上是挨着的。如果当前执行的指令是jmp，下一条指令已经被送上流水线译码了，第三条指令已经被送上流水线取指啦。仔细想想看，其实这个流水线没用了，因为cpu早已经跳到别处去执行了，第二、三条指令用不上了，所以cpu在遇到无条件转移指令jmp时，会清空流水线

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