从零开始实现一个基于RISC-V的流水线处理器 (2) ：浅谈处理器的流水线设计

处理器的流水线设计

流水线的概念

流水线技术是一种将指令分解为多步，并让不同指令的各步操作重叠，从而实现几条指令并行处理，以加速程序运行过程的技术。指令的每步有各自独立的电路来处理，每完成一步，就进到下一步，而前一步则处理后续指令。而这也是大部分微处理器架构改进的方面：提高程序的指令并行度（ILP）。

对于最简单的微处理器，我们可以将指令的执行分为四个阶段：

• 取指：将下一条指令从存储器中取出来。
• 译码：决定指令中所定义的操作类型。
• 执行：执行指令所定义的操作。
• 写回：指令操作结果被储存起来。

一个简单的串行执行微处理器如下图所示：

在这个处理器中，每个指令阶段需要一个时钟周期，而且仅当当前的指令执行完毕后，下一条指令才会开始执行。

由于指令的每个阶段都有相互独立的模块进行执行，因此我们发现使用流水线可以提高处理器的性能。通过增加一些控制逻辑，处理器中可以有处于不同阶段的多个指令同时执行。

下图展示了流水线设计的处理器执行指令的过程。简单的串行处理器每4个时钟周期完成一条指令，而一个理想的流水线处理器每个时钟周期都可以完成一条指令。