了解處理器內部硬件架構，有助于理解軟件運行原理，因為這兩者本身相輔相成，相互依存。就像槍和狙擊手，槍的操作和外形設計都是要根據人體工學，讓人不僅操作容易，而且攜帶也要輕便，做到能隨時射出子彈擊中目標，槍賦予了人的使命。反過來，狙擊手要根據槍的操作和外形設計，找到發揮其最大命中率的方法，做到人槍合一，人賦予了槍的生命.

記得2002年末我在中關村攢了臺電腦，當時的最新的桌面cpu是奔4-2.4b，我一咬牙就買它了，當時可花了兄弟我1600塊呢，話說當時一個月只掙1500塊。其中2.4是指cpu的主頻是2.4G。您看，對于cpu的選擇，我當時只關注主頻，根本不關注其它參數，其實主要是不懂其它參數，哈哈。后來才懂了cpu中另一個非常重要的技術，這就是流水線。

說到流水線，也許您腦子中馬上聯想到：工廠里一個穿著藍色工作服的工人，站在像傳送帶一樣的工作臺前緊張而有節奏的工作。也許您會問，你怎么知道我是這么想的？哎……電視里都這么演的……沒錯，這就是流水線。可是這個例子畢竟太遙遠，并不是所有同學都在工廠里做過流水線工人，咱們還是拿生活中的例子說事。

大伙兒都有租房子的經歷嗎？如果沒有也沒關系，重點不是租房子，我要說的是像我等北漂一族，為了充分利用房子里狹小的空間，肯定用錘子往墻上砸過釘子，您懂的，可以掛東西嘛^_^。

從宏觀上看，砸釘子可以分兩個步驟：

取釘子

砸釘子

假設每一步都占用1秒，釘釘子這兩個步驟下來是2秒，如果順序執行這兩個步驟，一分鐘可以砸30個釘子。過程如表

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以上是以串行順次的方式來砸釘子，不過這種串行的效率實在有限，如果改為并行的方式砸釘子，效率必然大大提高。

生活中處處是并行的例子，最為典型的并行系統就是咱們的身體。比如心臟在為身體泵血的時候，肺同時在保持呼吸為身體供氧，小腸也同時在蠕動，為人體汲取養分。這些器官的活動都是并行的，并不是在心臟跳動完之后，小腸再蠕動，它們的工作是彼此獨立無關聯的。人體內部的器官雖然是在并行工作，但他們做為一個整體——人，卻同一時間只能做好一件事，所以一心不能二用。

如果以“并行”的方式，也就是同時砸釘子，那得多增加人手才行，一個人同時只能做一件事，并且要么拿釘子，要么砸釘子。下面給砸釘子的工作增加個人手，專門給取釘子，這樣一個人取釘子，另一個人專門來砸釘子，取釘子和砸釘子的工作重疊進行，過程如表:

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上面的并行我加了引號，因為它并不是真正的并行，這是在重疊執行。重疊的意思是說在同一時間內同時完成兩個釘子的部分工序，拿第2秒來說，第一行的“砸釘子”是砸的第一個釘子，第二行的“取釘子”取的是第二個釘子，做的并不都是第一個釘子的工序。真正的并行是兩個人自己取自己的釘子，然后自己砸自己的釘子，各干各的。而我們的例子中，取釘子的人只會取釘子，砸釘子的人也只會砸釘子。

增加了一個人手之后，除第1秒外，每一秒都有“砸釘子”的動作，所以第一分鐘內可以砸入59根釘子，在第二分鐘以后，每分鐘能砸60個。

以上表4-13的過程便是一個流水線的執行過程，由于砸釘子分為兩個步驟，所以以上流水線稱為二級流水線。

這種情況在cpu中也是一樣的，指令執行單元EU是執行指令的唯一部件，一次只能執行一個指令，單核cpu的情況下，只有一個指令處于執行中。cpu中的各部分也是同時只能做一件事，但它們就像身體器官一樣，也是在并行工作，相當于多個“人手”。cpu的指令執行過程分為取指令、譯碼、執行三個步驟。每個步驟都是獨立執行的，cpu可以可以一邊執行指令，一邊取指令，一邊譯碼。cpu中的時序不是秒，對cpu來說，秒就是天文數字。它的時序是時鐘周期。按照這三個步驟，其三級流水線如表

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以上在第2周期后，都有指令在執行，這是最基本的流水線啦。為了更好的理解以后的分支預測，在此提醒一下大伙兒：雖然在一個時鐘周期內cpu同時干了三件事，但一定要清楚，這三件事不屬于同一個指令，是三個指令重疊在一起了，這和砸釘子的流水線是一樣的道理。同時完成的是當前指令的第三步、下一條指令的第二步，第三條指令的第一步。cpu中每條指令必須經過取指、譯碼、執行三步才算完成。

cpu是按照程序中指令順序來填充流水線的，也就是說按照程序計數器PC(x86中是cs:ip)中的值來裝載流水線，當前指令和下一條指令在空間上是挨著的。如果當前執行的指令是jmp，下一條指令已經被送上流水線譯碼了，第三條指令已經被送上流水線取指啦。仔細想想看，其實這個流水線沒用了，因為cpu早已經跳到別處去執行了，第二、三條指令用不上了，所以cpu在遇到無條件轉移指令jmp時，會清空流水線

總結

以上是生活随笔為你收集整理的一步步编写操作系统 27 处理器微架构之流水线简介的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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