用生活例子引入流水線邏輯：**

為什么要引入流水線（流水線誕生之前）：

首先計(jì)算機(jī)是通過(guò)CPU執(zhí)行指令來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)行并計(jì)算的，計(jì)算機(jī)在設(shè)計(jì)之初，每條指令只能串行執(zhí)行，意思就是等第一條指令執(zhí)行完，第二條指令才能開(kāi)始執(zhí)行，這樣顯然效率太低。

流水線設(shè)計(jì)原理：

然而指令執(zhí)行過(guò)程有很多階段，比如經(jīng)典的五級(jí)流水線結(jié)構(gòu)，把指令執(zhí)行的階段分成五級(jí)，分別為取指、譯碼、執(zhí)行、訪存、寫(xiě)回，就像手機(jī)組裝生成線上的把組裝、檢測(cè)、包裝一樣，不同階段是不一樣的工人在干活，同樣五級(jí)流水線中的每一級(jí)用的也是不一樣的CPU部件。在手機(jī)組裝過(guò)程中，第一個(gè)人組裝完第一臺(tái)手機(jī)就把第一臺(tái)交給測(cè)試工人，組裝工人繼續(xù)組裝第二臺(tái)手機(jī)。測(cè)試工人也一樣測(cè)試完第一臺(tái)就交給下個(gè)包裝工人，自己繼續(xù)測(cè)試第二臺(tái)。所以有人想辦法借鑒組裝手機(jī)這種思想去構(gòu)造流水線，第一條指令取指完，就把這條指令交給譯碼部件，自己繼續(xù)取指第二條，這樣的話從第5個(gè)時(shí)間段開(kāi)始，每個(gè)部件都在自己忙活，不存在之前的串行問(wèn)題，5個(gè)時(shí)間內(nèi)，每個(gè)部件只上一個(gè)時(shí)間的班，其余時(shí)間都歇著。這就是流水線技術(shù)。

多發(fā)射：

但是隨著集成電路發(fā)展，很多人不滿足這樣的效率，萌生出一次我直接執(zhí)行兩條毫無(wú)關(guān)系的指令。也就是一次發(fā)射兩條指令。多發(fā)射就是這個(gè)意思。顯然生活中肯定一心不能二用，但是現(xiàn)在可以增加部件，也就是組裝線上坐多個(gè)人也就是多條流水線，實(shí)現(xiàn)了多發(fā)射。

亂序執(zhí)行：

由于在指令在一定邏輯上只能按照順序執(zhí)行，比如疫情期間在家辦公，計(jì)劃的順序是起床、等快遞來(lái)送菜、做早飯、吃早飯、回復(fù)郵件、開(kāi)始工作。但是快遞小哥遲遲不來(lái)，咱們是不是得一直等著他來(lái)送菜再進(jìn)行下面的事情？顯然不會(huì)，你一定會(huì)把等菜、做飯、吃飯等一系列步驟放著，先去執(zhí)行另一系列的步驟（發(fā)郵件、工作），因?yàn)檫@兩個(gè)系列的步驟是完全不相關(guān)的。放在CPU中的邏輯時(shí)，某條指令需要訪存，訪存的時(shí)候多級(jí)cache不命中、內(nèi)存缺頁(yè)等原因?qū)е略L存時(shí)間延長(zhǎng)，這個(gè)時(shí)候是不是也像快遞小哥遲遲不來(lái)一樣，這個(gè)時(shí)候咱們就要先放棄這一系列的事情，先去執(zhí)行后面的與之無(wú)關(guān)指令。等訪存結(jié)束再去回去執(zhí)行之前被耽擱的指令，這就是亂序執(zhí)行（因?yàn)橹噶畹捻樞虮淮騺y了）。這樣的代價(jià)在哪里？，為什么叫亂序執(zhí)行，不叫亂序提交，那就是因?yàn)樘峤豁樞?#xff08;最后結(jié)果）必須正確，比如一個(gè)寄存器按照原本的順序是 被改成3、3被訪問(wèn)、被改成5、5被訪問(wèn)，顯然前兩個(gè)跟后兩個(gè)沒(méi)有關(guān)系，如果出現(xiàn)了亂序執(zhí)行，先執(zhí)行了后兩個(gè)，那么寄存器最后結(jié)果就是3了，后續(xù)跟這個(gè)寄存器打交道的指令都會(huì)出錯(cuò)（原本希望最后是5），所以提交順序一定要正確，所以設(shè)計(jì)了保留站和ROB（重排序緩沖），那就是標(biāo)記指令本來(lái)的執(zhí)行順序，在寫(xiě)回（最后一級(jí)流水線）的時(shí)候、如果比自己標(biāo)記好小的指令不提交，自己就在ROB中呆著等待原本在自己前面的指令提交。這樣就保證了既節(jié)省時(shí)間又能正確提交。

超標(biāo)量：

上面是說(shuō)的都是一個(gè)核同時(shí)只能執(zhí)行一條指令，超標(biāo)量就是一個(gè)核同時(shí)可以指令兩條指令。

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的CPU指令执行及流水线（超标量、多发射、乱序执行）的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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