42、指令流水线技术：原理、性能与挑战

指令流水线技术：原理、性能与挑战

1. 引言

随着计算机系统的不断发展，为了提升性能，人们一方面借助技术改进，如更快的电路；另一方面，对处理器的组织架构进行优化。指令流水线就是一种常见且有效的组织方式，它类似于制造工厂的装配线，能让不同阶段的指令同时处理，从而提高指令执行效率。

2. 流水线策略

2.1 基本概念

指令流水线的思想源于装配线。在制造工厂中，产品生产要经历多个阶段，通过装配线可使不同阶段的产品同时加工。同理，指令的执行也包含多个阶段，这为流水线操作提供了可能。

2.2 两阶段流水线

一种简单的指令处理方式是将其分为取指（Fetch Instruction）和执行（Execute Instruction）两个阶段。在执行指令时，主存可能处于空闲状态，此时可并行取指，这就是指令预取或取指重叠。不过，这种两阶段流水线存在一些问题：
- 执行时间通常长于取指时间，取指阶段可能需等待才能清空缓冲区。
- 条件分支指令会使下一条指令地址未知，取指阶段需等待执行阶段提供地址，执行阶段也可能因取指而等待。

为减少条件分支带来的时间损失，可采用猜测策略。当条件分支指令从取指阶段传递到执行阶段时，取指阶段先取分支指令后的下一条指令。若分支未发生，无时间损失；若分支发生，则丢弃已取指令并重新取指。

2.3 六阶段流水线

为进一步提高速度，可将指令处理分解为六个阶段：
| 阶段 | 描述 |
| ---- | ---- |
| 取指（FI） | 将下一条预期指令读入缓冲区 |
| 译码（DI） |