CPU的流水线是什么意思?

  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(pipeline)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，因此提高了CPU的运算速度。  超流水线是指某型CPU内部的流水线超过通常的5~6步以上，例如Pentiumpro的流水线就长达14步。将流水线设计的步(级)数越多，其完成一条指令的速度越快，因此才能适应工作主频更高的CPU。如今Intel每次发布新处理器产品的时候，我们都有必要对处理器流水线的问题加以说明，以解释为什么3GHz的P4会在性能上和2GHz的Athlon差不多。  Prescott的流水线管长度比Northwood长了近55%，这让我们老调重弹。　　处理器的流水线好比汽车生产车间里的装配线。但CPU的流水线并不是物理意义上的，数据也并不是从一端进入，另一端输出。实际上它是一个指令处理的步骤集合，每一条指令必须经过相同的步骤，我们把它们称为级数。  流水线的级数给指令指明方向，告诉它们下面是进行加操作，还是存储数据，并且给出地址。　　最基本的CPU流水线分成5级，如果将每一步细化便可以扩展到10级。流水线必须实现相同的目标：引入指令，输出结果，但级数的不同会让效率发生变化。5级流水线每一步花费的工作量要比十级流水线更大。  如果其他保持不变，那么我会选择5级流水线，因为实现5级数据处理更加容易，如果每一级不能保持全速运算，那CPU的效率会大大下降。　　选择更多流水线的理由是，如果每一级的处理过程更简单，那处理的速度会加快。最复杂的那一级会是整个运算中最慢的一环，它将决定整体的运行速度。  　　如果我们假设5级流水线的每一级都要花费1ns来完成，每一级运算的周期为一个时钟频率，那么我们得到了1GHz的处理速度。当我们增加线管级数时，这时很难保证每一级都全速运行，我们必须通过缩短每一级运算的周期来进行弥补。庆幸的是，由于每个时钟频率的工作量减少了，我们能有效缩短周期，在后者的设计中，时钟周期可以缩短到0。  5ns。　　十级流水线实现了2GHz的运行频率，它是前者运行频率的两倍。如果我们假定每一级流水线都全速工作，那么它的性能也将是前者的两倍。但现实是，流水线不可能每刻都处于满负荷状态，因此市场上的2GHzCPU不可能有1GHzCPU两倍的性能。  几年前，1。4和1。5GHzPentium4处理器将流水线有PIII的10级提高到了20级，令人难堪的是，1。5GHzPentium4在性能上不能完胜1GHzPentiumIII，有些应用中甚至不如后者。直到今天，你依然不能简单的认为Pentium42。  4C的性能会超出PentiumIII1GHz两倍之多，我们前面的论述已经给出的一定的解释。　　0。13微米制程的Northwood核心的最高频率是3。6-3。8GHz。当转入90nm制造工艺后，Prescott的功耗将降低，同时核心频率也会更高，但这一切只是Intel的一厢情愿。  当Intel转向90nm制程时，他们将Prescott的微架构也进行了改动，将它的整数流水线增加到了31级。考虑到最初的流水线解码级数，这样整个流水线管长度甚至会超出31级。　　增加流水线线管的直接好处是：提升运行频率。在一年前的IDF论坛上，Intel曾指出Prescott的频率可以上到4GHz-5GHz，如今Prescott越来越长流水线管正给出了最好的注解。  　　线管长度的增加向Intel提出了挑战，Prescott在每个时钟频率上的运行效率肯定会比Northwood慢。要指出的是，一直到Pentium4的频率提升至2。4GHz，Intel才在性能上赶上了流水线管更短��AthlonXP。  现在Intel又一次面对压力，如果3。4GHzPrescott性能赶不上2。4GHzNorthwood，Pentium4的招牌会再一次黯然失色。　　下面介绍的几项技术改进让Prescott在性能上至少不输于同频Northwood，如果不是这样，Prescott恐怕会提前为Pentium4划上句号。  　　增加Prescott的流水线长度并不是一个容易下的决定，但是Intel的工程师觉得值得这么做。GPU的设计目前主要用硬件编译语言完成，而CPU几乎要靠手工设计。这解释了为什么区区几十级线管的P4能运行在GHz级别，而Radeon9800Pro只能运行在几百MHZ。  如果花六个月周期象设计GPU那样来设计CPU，这几乎是不可能完成的任务。。

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