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急跪求流水线的概念

归档日期:07-13       文本归类:指令流水线      文章编辑:爱尚语录

  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。本文以简单、形象、非专业的语言来介绍这一技术,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。

  一、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。

  二、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?三、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。1.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。2.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。参考资料:

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