CPU指令执行及流水线（超标量、多发射、乱序执行）

用生活例子引入流水线逻辑：**

为什么要引入流水线（流水线诞生之前）：

首先计算机是通过CPU执行指令来实现运行并计算的，计算机在设计之初，每条指令只能串行执行，意思就是等第一条指令执行完，第二条指令才能开始执行，这样显然效率太低。

流水线设计原理：

然而指令执行过程有很多阶段，比如经典的五级流水线结构，把指令执行的阶段分成五级，分别为取指、译码、执行、访存、写回，就像手机组装生成线上的把组装、检测、包装一样，不同阶段是不一样的工人在干活，同样五级流水线中的每一级用的也是不一样的CPU部件。在手机组装过程中，第一个人组装完第一台手机就把第一台交给测试工人，组装工人继续组装第二台手机。测试工人也一样测试完第一台就交给下个包装工人，自己继续测试第二台。所以有人想办法借鉴组装手机这种思想去构造流水线，第一条指令取指完，就把这条指令交给译码部件，自己继续取指第二条，这样的话从第5个时间段开始，每个部件都在自己忙活，不存在之前的串行问题，5个时间内，每个部件只上一个时间的班，其余时间都歇着。这就是流水线技术。

多发射：

但是随着集成电路发展，很多人不满足这样的效率，萌生出一次我直接执行两条毫无关系的指令。也就是一次发射两条指令。多发射就是这个意思。显然生活中肯定一心不能二用，但是现在可以增加部件，也就是组装线上坐多个人也就是多条流水线，实现了多发射。

乱序执行：

由于在指令在一定逻辑上只能按照顺序执行，比如疫情期间在家办公，计划的顺序是起床、等快递来送菜、做早饭、吃早饭、回复邮件、开始工作。但是快递小哥迟迟不来，咱们是不是得一直等着他来送菜再进行下面的事情？显然不会，你一定会把等菜、做饭、吃饭等一系列步骤放着，先去执行另一系列的步骤（发邮件、工作），因为这两个系列的步骤是完全不相关的。放在CPU中的逻辑时，某条指令需要访存，访存的时候多级cache不命中、内存缺页等原因导致访存时间延长，这个时候是不是也像快递小哥迟迟不来一样，这个时候咱们就要先放弃这一系列的事情，先去执行后面的与之无关指令。等访存结束再去回去执行之前被耽搁的指令，这就是乱序执行（因为指令的顺序被打乱了）。这样的代价在哪里？，为什么叫乱序执行，不叫乱序提交，那就是因为提交顺序（最后结果）必须正确，比如一个寄存器按照原本的顺序是被改成3、3被访问、被改成5、5被访问，显然前两个跟后两个没有关系，如果出现了乱序执行，先执行了后两个，那么寄存器最后结果就是3了，后续跟这个寄存器打交道的指令都会出错（原本希望最后是5），所以提交顺序一定要正确，所以设计了保留站和ROB（重排序缓冲），那就是标记指令本来的执行顺序，在写回（最后一级流水线）的时候、如果比自己标记好小的指令不提交，自己就在ROB中呆着等待原本在自己前面的指令提交。这样就保证了既节省时间又能正确提交。

超标量：

上面是说的都是一个核同时只能执行一条指令，超标量就是一个核同时可以指令两条指令。