在当今数字化的时代，计算机已经成为我们生活中不可或缺的一部分。而在计算机的核心部位，中央处理器（CPU）则是其重要的组成部分。CPU 的性能决定了计算机的运行速度和处理能力，而流水线技术则是 CPU 性能提升的关键所在。

1 指令执行生命周期回顾

一条指令的生命周期分为五个阶段：

取指阶段（Instruction Fetch）：取指阶段是指将指令从存储器中读取出来的过程。程序指针寄存器用来指定当前指令在存储器中的位置。读取一条指令后，程序指针寄存器会根据指令的长度自动递增，或者改写成指定的地址。

译码阶段（Instruction Decode）：指令译码是指将存储器中取出的指令进行翻译的过程。指令译码器对指令进行拆分和解释，识别出指令类别以及所需的各种操作数。

执行阶段（Instruction Execute）：指令执行是指对指令进行真正运算的过程。例如指令是一条加法运算指令，则对操作数进行相加操作；如果是一条乘法运算指令，则进行乘法运算。在“执行”阶段最关键的模块为算术逻辑单元（Arithmetic Logical Unit，ALU），它是实施具体运算的硬件功能单元。

访存阶段（Memory Access）：访存是指存储器访问指令将数据从存储器中读出，或写入存储器的过程。

写回阶段（Write-Back）：写回是指将指令执行的结果写回通用寄存器的过程。如果是普通运算指令，该结果值来自于“执行”阶段计算的结果；如果是存储器读指令，该结果来自于“访存”阶段从存储器中读取出来的数据。

2 洗衣服流水线

什么是流水线？说的官方一点：流水线（Pipelining）是一种实现多条指令重叠的技术。通俗一点来说，跟工厂里面的流水线没有什么区别。

假设非流水线洗衣过程分为 4 个步骤：

1. 清洗：用洗衣机清洗

2. 烘干：洗衣机洗完后，放入烘干机烘干

3. 叠放：烘干衣服后，将衣服从烘干机去除，放在桌子上叠好

4. 取走：衣服叠好后，将衣服收好或让顾客取走

如果采用流水线的方法可以节省大量的时间。如果第一批衣服从洗衣机清洗完拿出来之后进行烘干，就可以把第二批衣服放入洗衣机清洗了。第一批衣服烘干了之后，第二批衣服也清洗完了，可以进行烘干了。

流水线的奇妙之处在于，对于单独的一批衣服来说，它的整个过程时间没有缩短，而在有多批任务并行执行时，流水线的优势就体现了出来。因为任务在并行执行，单位时间内完成的工作量就大大增加了。流水线实际上是改善了洗衣系统的吞吐率，使得工作效率大大提升。

可以试想一下，如果所有步骤所需时间一致，并且衣服足够多，那么采用流水线的速度将会是非流水线的 4 倍，正好等于步骤数。在图中的洗衣速度只提高了 2.3 倍的原因是图中只展示了清洗 4 批衣服，流水线在开始和结束阶段没有满载。

3 CPU 执行指令流水线

如果流水线各阶段操作平衡，那么在流水线上的指令执行时间为（理想情况下）：

流水线指令执行时间 = 非流水线指令执行时间 / 流水线级数

假设指令执行所需要的执行时间如下：

在非流水线方式中，第一条指令与第四条指令之间的时间差是 3*800 = 2400ps。

在流水线方式中，第一条指令与第四条指令之间的时间差是 3*200 = 600ps。

在图中的加速比为 2400ps /1400ps，并不等于 4。这是为什么呢？这是因为执行指令的数量不够多。

如果在上面流水线中增加 1000000 条指令，每一条指令都将使得整个执行时间增加 200ps，因此整个执行时间变成了 1000000 * 200ps + 1400ps = 200001400ps。

在非流水线方式下，执行时间将变成 1000000 * 800ps + 2400ps = 800002400ps。

二者比值即无限接近于 4。

4 CPU 流水线技术的优势

从上面这两个例子，可以看到流水线技术是很有优势的：

1. 提高执行效率：通过并行处理多条指令，流水线技术大大提高了 CPU 的执行效率。

2. 降低延迟：由于指令可以在多个阶段同时进行，因此可以减少等待时间，降低指令执行的延迟。

3. 提高吞吐量：流水线技术使得 CPU 可以在单位时间内处理更多的指令，从而提高系统的吞吐量。