什么是CPU流水线

  流水线就像工厂的生产线。CPU的一个任务，或者说指令，被分为很多个步骤完成，就跟生产线上装配汽车，分成若干个零件依次安装。而CPU的主频相当于流水线工作的统一节奏。你可以想象成主频就是干活时候喊的号子，大家都跟着号子一步一步的干活。  Intel：流水线较少，但是每条流水线的长度很长。可以想象成，Intel有较少的生产线，而每个生产线上把装配一辆汽车分成了较多的步骤，所以生产线很长。这样的有点是，生产线上的每个步骤需要完成的任务相对较少，这样，工作的节奏很容易加快，也就是号子喊的可以快一些，所以Intel的P4主频提高非常迅速。  这种架构的缺点是，因为流水线太长，如果中间有一步发生错误，只有到最后一个工序才能发现。虽然这种错误几率很小很小，但是不可避免，而且会被非常高的主频放大无数倍，带来的影响就是工作效率并没有随着节奏的加快而明显提升，也就是Intel“高频低能”的原因之一。  Intel的PentiumM系列就没有采用这种架构模式，而是采用类似AMD的短管线多管线模式。AMD：拥有较多的流水线，就是说，生产线较多，但是每条生产线的长度较短。带来的影响是，在短生产线上装备一辆汽车的话，每个工序需要干的活比较多，所以大家工作的节奏就不能太快。  所以AMD的主频提高非常困难。可是AMD较多的流水线同样保证了指令执行数量，也就是装配汽车的数量，效率较高。短的流水线受工序错误的影响也很低，因为流水线短，发现错误会更及时。主频低，错误率被放大的也小。一些数据：Intel：五条流水线，每个流水线20步（二十个工序），prescott更是达到了每条流水线30步。    AMD：K7九条流水线，每条流水线11步。K8的情况还不知道，但是肯定是短流水线架构。其实Intel和AMD只是走了两条不同的提高CPU性能的路而已。我的高主频模式也能解决问题，你的低主频模式也能解决问题罢了。如果不是Intel以往的主频代表性能宣传过分了，大家也不会说他高频低能，只是看你喜欢那种模式的解决方案罢了。

  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5—6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5—6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。Cell的PPE整数流水线深度为21级全面认识CPU的流水线Prescott核心的Pentium4处理器系列上市之初就受到了各方的质疑，因为相比上一代Northwood核心Pentium4处理器的20级流水线，新Pentium4处理器的流水线达到了创记录的31级！究竟什么是流水线，为什么新Pentium4处理器会采用超长流水线，它有什么样的负面影响呢？一、我们为什么需要流水线？　　借鉴了工业流水线制造的思想，现代CPU也采用了流水线设计。  在工业制造中采用流水线可以提高单位时间的生产量；同样在CPU中采用流水线设计也有助于提高CPU的频率。先让我们以汽车装配为例来解释流水线的工作方式。假设装配一辆汽车需要4个步骤：1。冲压：制作车身外壳和底盘等部件，2。焊接：将冲压成形后的各部件焊接成车身，3。  涂装：将车身等主要部件清洗、化学处理、打磨、喷漆和烘干，4。总装：将各部件（包括发动机和向外采购的零部件）组装成车；同时对应地需要冲压、焊接、涂装和总装四个工人。如果不采用流水线，那么第一辆汽车依次经过上述四个步骤装配完成之后，下一辆汽车才开始进行装配，最早期的工业制造就是采用的这种原始的方式。  　　不久之后大家就发现，某个时段中一辆汽车在进行装配时，其它三个工人处于闲置状态，显然这是对资源的极大浪费！于是大家开始思考能有效利用资源的方法：有什么办法让四个工人一起工作呢？那就是流水线！在第一辆汽车经过冲压进入焊接工序的时候，立刻开始进行第二辆汽车的冲压，而不是等到第一辆汽车经过全部四个工序后才开始。  之后的每一辆汽车都是在前一辆冲压完毕后立刻进入冲压工序，这样在后续生产中就能够保证四个工人一直处于运行状态，不会造成人员的闲置。这样的生产方式就好似流水川流不息，因此被称为流水线。　　CPU的工作我们也可以大致分为指令的获取、解码、运算和结果的写入四个步骤，采用流水线设计之后，指令（好比待装配的汽车）就可以连续不断地进行处理。  在同一个较长的时间段内，显然拥有流水线设计的CPU能够处理更多的指令。二、为什么要加长流水线？　　Intel和AMD在桌面CPU市场上的激烈竞争，使双方都千方百计地拿出更强大产品来压制对方，而最引人瞩目的就是CPU的频率之争。随着CPU频率不断地攀升，Intel总是在自己某个核心的处理器到达极限之时采用新的、更长流水线的核心来消除频率的瓶颈。  那么流水线和频率之间有什么关系呢？　　还是以上面的例子来说明。假如冲压、焊接、涂装和总装四个过程各自需要1个小时，现在我们把这四个工序细化：冲压分为冲压1（外壳）和冲压2（底盘）两个子工序，另外三个工序同样各自分成两个子工序，一共八个子工序。  这样一来，完成每个子工序平均只需要半个小时，因此每隔半个小时就有一辆汽车完成装配，下线速度提高了一倍！如果再进一步细化，一分为二，那么完成每个工序平均只需要15分钟，即每隔15分钟就有一辆汽车下线，速度又提高了一倍（单辆汽车的生产时间仍是4个小时，但是两辆汽车的生产间隙更小了）。  所以工序分得越细，单位时间内（例如8个小时）生产的汽车就越多。　　正是这样，CPU厂商才试图不断加长流水线，以利于频率的提升。那么为什么Prescott核心的处理器才31级流水线，流水线级数能不能无限增长呢？三、长流水线带来的问题　　首先，由于现有芯片制造工艺的限制，频率的提升带来高功耗、高发热量的问题。  尽管流水线增长，频率提升的空间相应增大，但是处理器频率提升的其它瓶颈却无法解决。而且过长的流水线意味着更加复杂的内部结构，生产的良品率也难以保证。　　其次，在CPU的工作中，指令往往不是孤立的，许多指令按一定的顺序执行才能完成一个任务。而一旦某个指令在运算过程中发生了错误，或者执行了没有用的指令，那么其后与之相关的指令就都没有用了。  这些指令必须清除掉，然后再执行其它的指令，CPU相当于做了许多无用功！流水线越长，一旦出错影响也就越大，比如一个指令在最后一级出错，那么可能在后续流水线中的所有指令都要被清除，Northwood核心处理器要浪费20级工序的时间，而Prescott核心处理器就要浪费31级工序的时间！。  

  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5—6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5—6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。Cell的PPE整数流水线深度为21级全面认识CPU的流水线Prescott核心的Pentium4处理器系列上市之初就受到了各方的质疑，因为相比上一代Northwood核心Pentium4处理器的20级流水线，新Pentium4处理器的流水线达到了创记录的31级！究竟什么是流水线，为什么新Pentium4处理器会采用超长流水线，它有什么样的负面影响呢？一、我们为什么需要流水线？　　借鉴了工业流水线制造的思想，现代CPU也采用了流水线设计。  在工业制造中采用流水线可以提高单位时间的生产量；同样在CPU中采用流水线设计也有助于提高CPU的频率。先让我们以汽车装配为例来解释流水线的工作方式。假设装配一辆汽车需要4个步骤：1。冲压：制作车身外壳和底盘等部件，2。焊接：将冲压成形后的各部件焊接成车身，3。  涂装：将车身等主要部件清洗、化学处理、打磨、喷漆和烘干，4。总装：将各部件（包括发动机和向外采购的零部件）组装成车；同时对应地需要冲压、焊接、涂装和总装四个工人。如果不采用流水线，那么第一辆汽车依次经过上述四个步骤装配完成之后，下一辆汽车才开始进行装配，最早期的工业制造就是采用的这种原始的方式。  　　不久之后大家就发现，某个时段中一辆汽车在进行装配时，其它三个工人处于闲置状态，显然这是对资源的极大浪费！于是大家开始思考能有效利用资源的方法：有什么办法让四个工人一起工作呢？那就是流水线！在第一辆汽车经过冲压进入焊接工序的时候，立刻开始进行第二辆汽车的冲压，而不是等到第一辆汽车经过全部四个工序后才开始。  之后的每一辆汽车都是在前一辆冲压完毕后立刻进入冲压工序，这样在后续生产中就能够保证四个工人一直处于运行状态，不会造成人员的闲置。这样的生产方式就好似流水川流不息，因此被称为流水线。　　CPU的工作我们也可以大致分为指令的获取、解码、运算和结果的写入四个步骤，采用流水线设计之后，指令（好比待装配的汽车）就可以连续不断地进行处理。  在同一个较长的时间段内，显然拥有流水线设计的CPU能够处理更多的指令。二、为什么要加长流水线？　　Intel和AMD在桌面CPU市场上的激烈竞争，使双方都千方百计地拿出更强大产品来压制对方，而最引人瞩目的就是CPU的频率之争。随着CPU频率不断地攀升，Intel总是在自己某个核心的处理器到达极限之时采用新的、更长流水线的核心来消除频率的瓶颈。  那么流水线和频率之间有什么关系呢？　　还是以上面的例子来说明。假如冲压、焊接、涂装和总装四个过程各自需要1个小时，现在我们把这四个工序细化：冲压分为冲压1（外壳）和冲压2（底盘）两个子工序，另外三个工序同样各自分成两个子工序，一共八个子工序。  这样一来，完成每个子工序平均只需要半个小时，因此每隔半个小时就有一辆汽车完成装配，下线速度提高了一倍！如果再进一步细化，一分为二，那么完成每个工序平均只需要15分钟，即每隔15分钟就有一辆汽车下线，速度又提高了一倍（单辆汽车的生产时间仍是4个小时，但是两辆汽车的生产间隙更小了）。  所以工序分得越细，单位时间内（例如8个小时）生产的汽车就越多。　　正是这样，CPU厂商才试图不断加长流水线，以利于频率的提升。那么为什么Prescott核心的处理器才31级流水线，流水线级数能不能无限增长呢？三、长流水线带来的问题　　首先，由于现有芯片制造工艺的限制，频率的提升带来高功耗、高发热量的问题。  尽管流水线增长，频率提升的空间相应增大，但是处理器频率提升的其它瓶颈却无法解决。而且过长的流水线意味着更加复杂的内部结构，生产的良品率也难以保证。　　其次，在CPU的工作中，指令往往不是孤立的，许多指令按一定的顺序执行才能完成一个任务。而一旦某个指令在运算过程中发生了错误，或者执行了没有用的指令，那么其后与之相关的指令就都没有用了。  这些指令必须清除掉，然后再执行其它的指令，CPU相当于做了许多无用功！流水线越长，一旦出错影响也就越大，比如一个指令在最后一级出错，那么可能在后续流水线中的所有指令都要被清除，Northwood核心处理器要浪费20级工序的时间，而Prescott核心处理器就要浪费31级工序的时间！。  

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