本文將討論處理器的一個重要的基礎知識：“流水線”。熟悉計算機體系結構的讀者一定知道，言及處理器微架構，幾乎必談其流水線。處理器的流水線結構是處理器微架構最基本的一個要素，猶如汽車底盤對于汽車一般具有基石性的作用，它承載并決定了處理器其他微架構的細節。本文將簡要介紹處理器的一些常見流水線結構，讓您真正讀懂處理器流水線。

1 從經典的五級流水線說起

流水線的概念來源于工業制造領域，以汽車裝配為例來解釋流水線的工作方式，假設裝配一輛汽車需要四個步驟：

第一步沖壓：制作車身外殼和底盤等部件。

第二步焊接：將沖壓成形后的各部件焊接成車身。

第三步涂裝：將車身等主要部件清洗、化學處理、打磨、噴漆和烘干。

第四步總裝：將各部件（包括發動機和向外采購的零部件）組裝成車。

汽車裝配則同時對應需要沖壓、焊接、涂裝和總裝四個工人。最簡單的方法是一輛汽車依次經過上述四個步驟裝配完成之后，下一輛汽車才開始進行裝配，最早期的工業制造就是采用的這種原始的方式，即同一時刻只有一輛汽車在裝配。不久之后人們發現，某個時段中一輛汽車在進行裝配時，其它三個工人都處于閑置狀態，顯然這是對資源的極大浪費，于是思考出能有效利用資源的新方法，即在第一輛汽車經過沖壓進入焊接工序的時候，立刻開始進行第二輛汽車的沖壓，而不是等到第一輛汽車經過全部四個工序后才開始，這樣在后續生產中就能夠保證四個工人一直處于運行狀態，不會造成人員的閑置。這樣的生產方式就好似流水川流不息，因此被稱為流水線。

計算機體系結構教材中被提及最多的經典MIPS五級流水線如圖1所示。在此流水線中一條指令的生命周期分為：

取指：

指令取指（Instruction Fetch）是指將指令從存儲器中讀取出來的過程。

譯碼：

指令譯碼（Instruction Decode）是指將存儲器中取出的指令進行翻譯的過程。經過譯碼之后得到指令需要的操作數寄存器索引，可以使用此索引從通用寄存器組（Register File，Regfile）中將操作數讀出。

執行：

指令譯碼之后所需要進行的計算類型都已得知，并且已經從通用寄存器組中讀取出了所需的操作數，那么接下來便進行指令執行（Instruction Execute）。指令執行是指對指令進行真正運算的過程。譬如，如果指令是一條加法運算指令，則對操作數進行加法操作；如果是減法運算指令，則進行減法操作。

在“執行”階段的最常見部件為算術邏輯部件運算器（Arithmetic Logical Unit，ALU），作為實施具體運算的硬件功能單元。

訪存：

存儲器訪問指令往往是指令集中最重要的指令類型之一，訪存（Memory Access）是指存儲器訪問指令將數據從存儲器中讀出，或者寫入存儲器的過程。

寫回：

寫回（Write-Back）是指將指令執行的結果寫回通用寄存器組的過程。如果是普通運算指令，該結果值來自于“執行”階段計算的結果；如果是存儲器讀指令，該結果來自于“訪存”階段從存儲器中讀取出來的數據。

在工業制造中采用流水線可以提高單位時間的生產量，同樣在處理器中采用流水線設計也有助于提高處理器的性能。以上述的五級流水線為例，由于前一條指令在完成了“取指”進入“譯碼”階段后，下一條指令馬上就可以進入“取指”階段，依次類推，如圖2所示，如果流水線沒有停頓，理論上可以取得每個時鐘周期都完成一條指令的性能。

圖1 MIPS五級流水線結構圖

圖2 MIPS五級流水線運行圖