流水线级数过多的影响

虽然我们不能通过流水线，来减少单条指令执行的“延时”这个性能指标，但是，通过同时在执行多条指令的不同阶段，我们提升了 CPU 的“吞吐率”。在外部看来，我们的 CPU 好像是“一心多用”，在同一时间，同时执行 5 条不同指令的不同阶段。在 CPU 内部，其实它就像生产线一样，不同分工的组件不断处理上游传递下来的内容，而不需要等待单件商品生产完成之后，再启动下一件商品的生产过程

在单发射流水线中，如果上一条指令在ID段被阻塞，那么下一条指令的IF段就会被阻塞(即还不能取出(发射)下一条指令，否则会覆盖指令寄存器的内容，导致上一条指令还没译码就被覆盖了)

流水线有建立时间和排空时间

五级的流水线，就表示我们在同一个时钟周期里面，同时运行五条指令的不同阶段。这个时候，虽然执行一条指令的时钟周期变成了5，但是我们可以把 CPU 的主频提得更高了。我们不需要确保最复杂的那条指令在一个时钟周期里面执行完成，而只要保障一个最复杂的流水线级的操作，在一个时钟周期内完成就好了

单看一条指令，一定需要很多个时钟周期。但是呢，因为有流水线，同时又会去执行很多个指令的不同步骤。超线程技术等等，从吞吐量的角度来看，我们又能够做到，平均一个时钟周期里面，完成指令数可以超过 1

流水线级数过多的影响

• 流水线并不能真正减少一条指令的执行时间，实际上，由于流水线寄存器延迟(流水寄存器需要建立时间和传输延迟,建立时间：在触发写操作的时钟信号到达之前，寄 存器输入必须保持稳定的时间。 传输延迟：时钟信号到达后到寄存器输出可用的时 间 )和时钟偏移开销(流水线中，时钟到达各流水寄存器的最大差值时间。因为时钟到达各流水寄存器的时间不是完全相同)这些额外开销的存在，反而会使每条指令执行的时间有所增加
• 流水线的级数越多，意味着流水线被切得越细，每一级流水线内容纳硬件逻辑越少，意味着必须运行更高的主频(保证CPI不变)。主频越高，流水线的吞吐率越高
• 级数划分越多，每级的工作内容就越不好划分，取指译码执行的过程中可能划分不出那么多的工作流程
• 级数越多，级间缓冲寄存器就越多，写入寄存器的耗时就越多，使用的晶体管也会变多，占用更多的芯片面积，增加了电路复杂度和功耗
• 更深的流水线意味着同时在流水线里面的指令就多，相互的依赖关系就多。需要更多的硬件来解决这些问题
• 长流水线也会占用更多的内存带宽
• 增加了出错的风险。因为流水线的每个阶段都依赖上一个阶段完成的结果
• 当流水线级数过多时，如果每个阶段的处理时间不均衡，会导致某些阶段处于空闲状态（Idle），从而影响流水线整体吞吐量。一些解决方案包括用更精细的流水线划分来减小不均衡的处理时间，或者采用动态调整流水线级数的方法来调整流水线各阶段工作状态
• 流水线的取指阶段需要进行分支预测，如果预测失败，需要将所有的预取指令全部丢失。流水线越深，则意味着浪费和损失越严重；流水线越浅，则浪费和损失越少