一、什么是流水線技術(shù)

流水線（pipeline）技術(shù)是指在程序執(zhí)行時(shí)多條指令重疊進(jìn)行操作的一種準(zhǔn)并行處理實(shí)現(xiàn)技術(shù)。流水線是Intel初次在486芯片中開始使用的。流水線的工作方式就像工業(yè)生產(chǎn)上的裝配流水線。在CPU中由5—6個(gè)不同功能的電路單元組成一條指令處理流水線，然后將一條X86指令分成5—6步后再由這些電路單元分別執(zhí)行，這樣就能實(shí)現(xiàn)在一個(gè)CPU時(shí)鐘周期完成一條指令，因此提高CPU的運(yùn)算速度。經(jīng)典奔騰每條整數(shù)流水線都分為四級流水，即取指令、譯碼、執(zhí)行、寫回結(jié)果，浮點(diǎn)流水又分為八級流水。

二、流水線的產(chǎn)生背景

借鑒了工業(yè)流水線制造的思想，現(xiàn)代CPU也采用了流水線設(shè)計(jì)。在工業(yè)制造中采用流水線可以提高單位時(shí)間的生產(chǎn)量；同樣在CPU中采用流水線設(shè)計(jì)也有助于提高CPU的頻率。先以汽車裝配為例來解釋流水線的工作方式。假設(shè)裝配一輛汽車需要4個(gè)步驟：①沖壓：制作車身外殼和底盤等部件；②焊接：將沖壓成形后的各部件焊接成車身；③涂裝：將車身等主要部件清洗、化學(xué)處理、打磨、噴漆和烘干；④總裝：將各部件（包括發(fā)動(dòng)機(jī)和向外采購的零部件）組裝成車；流水線同時(shí)對應(yīng)地需要沖壓、焊接、涂裝和總裝四個(gè)工人。采用流水線的制造方式，同一時(shí)刻四輛汽車在裝配。如果不采用流水線，那么初輛汽車依次經(jīng)過上述四個(gè)步驟裝配完成之后，下一輛汽車才開始進(jìn)行裝配，早期的工業(yè)制造就是采用的這種原始的方式。未采用流水線的原始制造方式，同一時(shí)刻只有一輛汽車在裝配。

流水線的生產(chǎn)背景是什么

不久之后就發(fā)現(xiàn)，流水線某個(gè)時(shí)段中一輛汽車在進(jìn)行裝配時(shí)，其它三個(gè)工人處于閑置狀態(tài)，顯然這是對資源的極大浪費(fèi)！于是開始思考能有效利用資源的方法：在初輛汽車經(jīng)過沖壓進(jìn)入焊接工序的時(shí)候，立刻開始進(jìn)行第二輛汽車的沖壓，而不是等到初輛汽車經(jīng)過全部四個(gè)工序后才開始。之后的每一輛汽車都是在前一輛沖壓完畢后立刻進(jìn)入沖壓工序，這樣在后續(xù)生產(chǎn)中就能夠保證四個(gè)工人一直處于運(yùn)行狀態(tài)，不會造成人員的閑置。這樣的生產(chǎn)方式就好似流水川流不息，因此被稱為流水線。

CPU的工作也可以大致分為指令的獲取、解碼、運(yùn)算和結(jié)果的寫入四個(gè)步驟，采用流水線設(shè)計(jì)之后，指令（好比待裝配的汽車）就可以連續(xù)不斷地進(jìn)行處理。在同一個(gè)較長的時(shí)間段內(nèi)，顯然擁有流水線設(shè)計(jì)的CPU能夠處理更多的指令。