CPU

熱心網友

流水線(pipeline)是 Intel首次在486芯片中開始使用的。流水線的工作方式就象工業生產上的裝配流水線。在CPU中由5~6個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行，這樣就能實現在一個CPU時鐘周期完成一條指令，因此提高了CPU的運算速度。超流水線是指某型 CPU內部的流水線超過通常的5~6步以上，例如Pentium pro的流水線就長達14步。將流水線設計的步(級)數越多，其完成一條指令的速度越快，因此才能適應工作主頻更高的CPU。 如今Intel每次發布新處理器產品的時候，我們都有必要對處理器流水線的問題加以說明，以解釋為什么3GHz的P4會在性能上和2GHz的Athlon差不多。Prescott的流水線管長度比Northwood長了近55%，這讓我們老調重彈。 　　處理器的流水線好比汽車生產車間里的裝配線。但CPU的流水線并不是物理意義上的，數據也并不是從一端進入，另一端輸出。實際上它是一個指令處理的步驟集合，每一條指令必須經過相同的步驟，我們把它們稱為級數。流水線的級數給指令指明方向，告訴它們下面是進行加操作，還是存儲數據，并且給出地址。 　　最基本的CPU流水線分成5級，如果將每一步細化便可以擴展到10級。流水線必須實現相同的目標：引入指令，輸出結果，但級數的不同會讓效率發生變化。5級流水線每一步花費的工作量要比十級流水線更大。如果其他保持不變，那么我會選擇5級流水線，因為實現5級數據處理更加容易，如果每一級不能保持全速運算，那CPU的效率會大大下降。 　　選擇更多流水線的理由是，如果每一級的處理過程更簡單，那處理的速度會加快。最復雜的那一級會是整個運算中最慢的一環，它將決定整體的運行速度。 　　如果我們假設5級流水線的每一級都要花費1ns來完成，每一級運算的周期為一個時鐘頻率，那么我們得到了1GHz的處理速度。當我們增加線管級數時，這時很難保證每一級都全速運行，我們必須通過縮短每一級運算的周期來進行彌補。慶幸的是，由于每個時鐘頻率的工作量減少了，我們能有效縮短周期，在后者的設計中，時鐘周期可以縮短到0。5ns。 　　十級流水線實現了2GHz的運行頻率，它是前者運行頻率的兩倍。如果我們假定每一級流水線都全速工作，那么它的性能也將是前者的兩倍。但現實是，流水線不可能每刻都處于滿負荷狀態，因此市場上的2GHz CPU不可能有1GHz CPU兩倍的性能。 幾年前，1。4和1。5GHz Pentium 4處理器將流水線有PIII的10級提高到了20級，令人難堪的是，1。5GHz Pentium 4在性能上不能完勝1 GHz Pentium III，有些應用中甚至不如后者。直到今天，你依然不能簡單的認為Pentium 4 2。4C的性能會超出PentiumIII 1GHz兩倍之多，我們前面的論述已經給出的一定的解釋。 　　0。13微米制程的Northwood核心的最高頻率是3。6 - 3。8GHz。當轉入90nm制造工藝后，Prescott的功耗將降低，同時核心頻率也會更高，但這一切只是Intel的一廂情愿。當Intel轉向90nm制程時，他們將Prescott的微架構也進行了改動，將它的整數流水線增加到了31級。考慮到最初的流水線解碼級數，這樣整個流水線管長度甚至會超出31級。 　　增加流水線線管的直接好處是：提升運行頻率。在一年前的IDF論壇上，Intel曾指出Prescott的頻率可以上到4GHz-5GHz，如今Prescott越來越長流水線管正給出了最好的注解。 　　線管長度的增加向Intel提出了挑戰，Prescott在每個時鐘頻率上的運行效率肯定會比Northwood慢。要指出的是，一直到Pentium 4的頻率提升至2。4GHz，Intel才在性能上趕上了流水線管更短的Athlon XP。現在Intel又一次面對壓力，如果3。4GHz Prescott性能趕不上2。4GHz Northwood，Pentium 4的招牌會再一次黯然失色。 　　下面介紹的幾項技術改進讓Prescott在性能上至少不輸于同頻Northwood，如果不是這樣，Prescott恐怕會提前為Pentium 4劃上句號。 　　增加Prescott的流水線長度并不是一個容易下的決定，但是Intel的工程師覺得值得這么做。GPU的設計目前主要用硬件編譯語言完成，而CPU幾乎要靠手工設計。這解釋了為什么區區幾十級線管的P4能運行在GHz級別，而Radeon 9800 Pro只能運行在幾百MHZ。如果花六個月周期象設計GPU那樣來設計CPU，這幾乎是不可能完成的任務。。

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流水線就像工廠的生產線。CPU的一個任務，或者說指令，被分為很多個步驟完成，就跟生產線上裝配汽車，分成若干個零件依次安裝。而CPU的主頻相當于流水線工作的統一節奏。你可以想象成主頻就是干活時候喊的號子，大家都跟著號子一步一步的干活。Intel：流水線較少，但是每條流水線的長度很長。可以想象成，Intel有較少的生產線，而每個生產線上把裝配一輛汽車分成了較多的步驟，所以生產線很長。這樣的有點是，生產線上的每個步驟需要完成的任務相對較少，這樣，工作的節奏很容易加快，也就是號子喊的可以快一些，所以Intel的P4主頻提高非常迅速。這種架構的缺點是，因為流水線太長，如果中間有一步發生錯誤，只有到最后一個工序才能發現。雖然這種錯誤幾率很小很小，但是不可避免，而且會被非常高的主頻放大無數倍，帶來的影響就是工作效率并沒有隨著節奏的加快而明顯提升，也就是Intel“高頻低能”的原因之一。Intel的Pentium M系列就沒有采用這種架構模式，而是采用類似AMD的短管線多管線模式。AMD：擁有較多的流水線，就是說，生產線較多，但是每條生產線的長度較短。帶來的影響是，在短生產線上裝備一輛汽車的話，每個工序需要干的活比較多，所以大家工作的節奏就不能太快。所以AMD的主頻提高非常困難。可是AMD較多的流水線同樣保證了指令執行數量，也就是裝配汽車的數量，效率較高。短的流水線受工序錯誤的影響也很低，因為流水線短，發現錯誤會更及時。主頻低，錯誤率被放大的也小。一些數據：Intel：五條流水線，每個流水線20步（二十個工序），prescott更是達到了每條流水線30步。AMD：K7 九條流水線，每條流水線11步。K8的情況還不知道，但是肯定是短流水線架構。其實Intel和AMD只是走了兩條不同的提高CPU性能的路而已。我的高主頻模式也能解決問題，你的低主頻模式也能解決問題罷了。如果不是Intel以往的主頻代表性能宣傳過分了，大家也不會說他高頻低能，只是看你喜歡那種模式的解決方案罷了。

熱心網友

樓上可真水，這是系統結構的概念。我來簡化一下上面的回答：每個程序是很多指令組成，每道指令是很多微指令組成，存儲在微指令存儲器中，流水線是多個執行部件，分工執行這些微指令，注意這些微指令未必是屬于同一條指令，以此來加快運行速度。其中，還涉及調度、循環、延時等等問題，見過程序流程圖嗎？和那個差不多。還是去查查資料吧。你學什么的，要研究這玩意？