CPU的流水线指令设计

为什么小小一个CPU，有那么多周期（Cycle）？
程序的性能，是由三个因素相乘来衡量的，“指令数×CPI×时钟周期”。
和周期相关的只有一个时钟周期，即CPU主频的倒数。
一个CPU的时钟周期可以认为是可以完成一条最简单的计算机指令的时间。

那为何构造CPU时，有那么多周期？

单指令周期处理器

一条CPU指令的执行，由FDE三步组成。这个执行过程，至少需花费一个时钟周期。因为在取指令的时候，我们需要通过时钟周期的信号，来决定计数器的自增。

很自然，我们希望能确保让这样一整条指令的执行，在一个时钟周期内完成。
这样，一个时钟周期可执行一条指令，CPI=1，看着就比执行一条指令要多个时钟周期性能好。
这就是单指令周期处理器（Single Cycle Processor）：一个时钟周期内，处理器正好能处理一条指令。

但时钟周期固定，指令的电路复杂程度不同，所以实际一条指令执行时间不同。
随门电路层数增加，由于门延迟，位数多、计算复杂指令需执行更久。

不同指令执行时间不同，但要让所有指令都在一个时钟周期内完成，只好把时钟周期和执行时间最长的那个指令一样。不然就会导致快速执行完成的指令，需等待满一个时钟周期，才能执行下一条指令。

虽然CPI能够保持在1，但时钟频率却没法太高。太高，有些复杂指令没法在一个时钟周期内完成。在下个时钟周期到来，开始执行下条指令时，前一条指令执行结果可能还没写入寄存器。下一条指令读取的数据就不准确了。

• 前一条指令的写入，在后一条指令的读取之前
  
  一个CPU时钟周期，可认为是完成一条简单指令的时间。
  为什么单指令周期处理器，反而变成执行一条最复杂的指令的时间？
  无论是Intel CPU or ARM CPU，都不是单指令周期处理器，而是采用一种叫作指令流水线（Instruction Pipeline）的技术。

现代处理器的流水线设计

指令执行过程会拆分成“取指令、译码、执行”三步。
更细分，执行的过程，还包含从寄存器或内存读数据，通过ALU运算，把结果写回寄存器或内存。

CPU的指令执行过程，其实也是由各电路模块组成：

• 取指令时，需要译码器，把数据从内存取出来，写入寄存器

• 指令译码时，需要另外一个译码器，把指令解析成对应控制信号、内存地址和数据

• 指令执行时，需要一个完成计算工作的ALU。这些都是一个一个独立的组合逻辑电路，我们可以把它们看作一个团队里面的产品经理、后端工程师和客户端工程师，共同协作来完成任务。

• 流水线执行示意图
  
  这就不用把时钟周期设置成整条指令执行的时间，而是拆分成完成这样的一个一个小步骤需要的时间。同时，每一个阶段的电路在完成对应的任务之后，也不需要等待整个指令执行完成，而是可以直接执行下一条指令的对应阶段。
  这样的协作模式，就是指令流水线。这里每个独立步骤，称为流水线阶段或流水线级（Pipeline Stage）。

把一个指令拆分成“取指令-指令译码-执行指令”三部分，那这就是一个三级流水线。
进一步把“执行指令”拆分成“ALU计算（指令执行）-内存访问-数据写回”，就变成一个五级流水线。
五级流水线：同一时钟周期里，同时运行五条指令的不同阶段。这时，虽然执行一条指令的时钟周期变成5，但可提高CPU的主频。
无需确保最复杂那条指令在时钟周期里执行完成，只要保障一个最复杂的流水线级操作，在一个时钟周期内完成即可。

若某一操作步骤时间太长，可考虑把该步骤拆分成更多步骤，让所有步骤需执行时间尽量差不多长。这就可解决在单指令周期处理器中遇到的，性能瓶颈来自最复杂的指令的问题。
像ARM或IntelCPU，流水线级数都已到14级。

虽然不能通过流水线，减少单条指令执行的“延时”指标，但通过同时在执行多条指令的不同阶段，提升了CPU的“吞吐率”。
外部看来，我们的CPU好像“一心多用”，同一时间，同时执行5条不同指令的不同阶段。
CPU内部，就像生产线，不同分工的组件不断处理上游传递下来的内容，而无需等待单件商品生产完成后，再启动下一件商品的生产。

超长流水线的性能瓶颈

你说流水线能增加 CPU 吞吐率，流水线级数就越深越好咯？
增加流水线深度，是有性能成本的。

同步时钟周期的，不再是指令级别，而是流水线阶段级别。
每一级流水线对应的输出，都要放到流水线寄存器（Pipeline Register），然后在下一个时钟周期，交给下一个流水线级去处理。
所以，每增加一级流水线，就要多一级写入到流水线寄存器的操作。
虽然流水线寄存器非常快，比如只有20皮秒（ps，$10^{-12}$秒）。

但不断加深流水线，这些操作占整个指令的执行时间的比例就会不断增加。最后，性能瓶颈就会出现在这些overhead。
若指令执行有3ns=3000ps：

• 20级流水线，则流水线寄存器写入就要400ps，占超过10%
• 50级流水线，就要多花费1ns在流水线寄存器上，占到25%

这意味着，单纯增加流水线级数，不仅不能提升性能，反而会有更多overhead开销。所以，设计合理的流水线级数也是现代CPU中非常重要的一点。

总结

为不浪费CPU性能，通过把指令执行过程，切分成一个个流水线级，提升CPU吞吐率。而CPU设计，又是由一个个独立的组合逻辑电路串接起来形成，适合这样采用流水线“专业分工”的工作方式。

因为每一级overhead，一味地增加流水线深度，并不能无限地提高性能。同样地，因为指令的执行不再是顺序地一条条执行，而是在上一条执行到一半的时候，下一条就已经启动了，所以也给我们的程序带来了很多挑战。这些挑战和对应的解决方案，就要请你坚持关注后面的几讲，我们一起来揭开答案了。

参考

• 《深入理解计算机系统》的4.4章节
• 《计算机组成与设计 硬件/软件接口》的4.5章节