CPU流水線的問題

為什么有些CPU的主頻更低，但運(yùn)算效率卻更高呢？

比如：51單片機(jī)30M主頻，STM32單片機(jī)20M主頻，執(zhí)行相同一段代碼可能主頻更低的STM32所花的時(shí)間更短。

這里就牽涉到CPU流水線的問題，本文圍繞CPU流水線描述相關(guān)內(nèi)容。

一、早期CPU流水線

1.流水線來源

流水線的概念來源于工業(yè)制造領(lǐng)域，以汽車裝配為例來解釋流水線的工作方式，假設(shè)裝配一輛汽車需要四個(gè)步驟：

1.沖壓：制作車身外殼和底盤等部件；

2.焊接：將沖壓成形后的各部件焊接成車身；

3.涂裝：將車身等主要部件清洗、化學(xué)處理、打磨、噴漆和烘干；

4.總裝：將各部件（包括發(fā)動(dòng)機(jī)和向外采購的零部件）組裝成車；

汽車裝配需要沖壓、焊接、涂裝和總裝四個(gè)工人，最簡單的方法是一輛汽車依次經(jīng)過上述四個(gè)步驟裝配完成之后，下一輛汽車才開始進(jìn)行裝配，最早期的工業(yè)制造就是采用的這種原始的方式，即同一時(shí)刻只有一輛汽車在裝配。

不久之后人們發(fā)現(xiàn)，某個(gè)時(shí)段中一輛汽車在進(jìn)行裝配時(shí)，其它三個(gè)工人都處于閑置狀態(tài)，顯然這是對(duì)資源的極大浪費(fèi)，于是思考出能有效利用資源的新方法，即在第一輛汽車經(jīng)過沖壓進(jìn)入焊接工序的時(shí)候，立刻開始進(jìn)行第二輛汽車的沖壓，而不是等到第一輛汽車經(jīng)過全部四個(gè)工序后才開始，這樣在后續(xù)生產(chǎn)中就能夠保證四個(gè)工人一直處于運(yùn)行狀態(tài)，不會(huì)造成人員的閑置。這樣的生產(chǎn)方式就好似流水川流不息，因此被稱為流水線。

2.CPU流水線

1989 年推出的 i486 處理器引入了五級(jí)流水線。這時(shí)，在 CPU 中不再僅運(yùn)行一條指令，每一級(jí)流水線在同一時(shí)刻都運(yùn)行著不同的指令。這個(gè)設(shè)計(jì)使得 i486 比同頻率的 386 處理器性能提升了不止一倍。

五級(jí)流水線中的取指階段將指令從指令緩存中取出（i486 中的指令緩存為 8KB）；

第二級(jí)為譯碼階段，將取出的指令翻譯為具體的功能操作；

第三級(jí)為轉(zhuǎn)址階段，用來將內(nèi)存地址和偏移進(jìn)行轉(zhuǎn)換；

第四級(jí)為執(zhí)行階段，指令在該階段真正執(zhí)行運(yùn)算；

第五級(jí)為退出階段，運(yùn)算的結(jié)果被寫回寄存器或者內(nèi)存。

由于處理器同時(shí)運(yùn)行了多條指令，大大提升了程序運(yùn)行的性能。

二、CPU流水線技術(shù)

CPU流水線技術(shù)是一種將指令分解為多步，并讓不同指令的各步操作重疊，從而實(shí)現(xiàn)幾條指令并行處理，以加速程序運(yùn)行過程的技術(shù)。

指令的每步有各自獨(dú)立的電路來處理，每完成一步，就進(jìn)到下一步，而前一步則處理后續(xù)指令。

采用流水線技術(shù)后，并沒有加速單條指令的執(zhí)行，每條指令的操作步驟一個(gè)也不能少，只是多條指令的不同操作步驟同時(shí)執(zhí)行，因而從總體上看加快了指令流速度，縮短了程序執(zhí)行時(shí)間。

流水線技術(shù)是通過增加計(jì)算機(jī)硬件來實(shí)現(xiàn)的。它要求各功能段能互相獨(dú)立地工作，這就要增加硬件，相應(yīng)地也加大了控制的復(fù)雜性。如果沒有互相獨(dú)立的操作部件，很可能會(huì)發(fā)生各種沖突。例如要能預(yù)取指令，就需增加指令的硬件電路，并把取來的指令存放到指令隊(duì)列緩沖器中，使微處理器能同時(shí)進(jìn)行取指令和分析、執(zhí)行指令的操作。

---來自百度百科

三、流水線與代碼執(zhí)行效果

為什么說同主頻的51單片機(jī)相比STM32執(zhí)行效率低呢？

除了大家認(rèn)為的8位和32位寬度區(qū)別之外，還有一個(gè)就是51單片機(jī)不支持流水線（也可以理解為單流水線），而STM32支持流水線。

Cortex‐M3處理器使用一個(gè) 3 級(jí)流水線。流水線的 3 級(jí)分別是：取指、解碼和執(zhí)行， 如圖：

通過下面一張圖來對(duì)比單流水線和多級(jí)流水線，你就更能明白為什么51單片機(jī)執(zhí)行效率低了。

四、多級(jí)流水線優(yōu)缺點(diǎn)

并非在所有情況下流水線技術(shù)都起作用?？赡苡幸恍┤秉c(diǎn)。如果一條指令流水線能夠在每一個(gè)時(shí)脈周期接納一條新的指令，被稱為完整流水線（fully pipelined）。因流水線中的指令需要延遲處理而要等待數(shù)個(gè)時(shí)脈周期，被稱為非完整流水線。

當(dāng)一名程序員（或者組合者/編譯者）編寫組合代碼（或者匯編碼）時(shí)，他們會(huì)假定每個(gè)指令是循序運(yùn)行的。而這個(gè)假設(shè)會(huì)使流水線無效。當(dāng)此現(xiàn)象發(fā)生后程序會(huì)表現(xiàn)的不正常，而此現(xiàn)象就是危害。不過當(dāng)前有提供幾種技術(shù)來解決這些危害像是轉(zhuǎn)發(fā)與延遲等。

1.優(yōu)點(diǎn)

減少了處理器執(zhí)行指令所需要的時(shí)脈周期，在通常情況下增加了指令的輸入頻率（issue-rate）。

一些集成電路，例如加法器或者乘法器，通過添加更多的環(huán)路使其工作得更快，如果以流水線替代，能相對(duì)地減少環(huán)路。

2.缺點(diǎn)

流水線處理器設(shè)計(jì)復(fù)雜度更高、生產(chǎn)成本更高；

流水線的處理器必須在數(shù)據(jù)路徑中添加額外觸發(fā)器。

非流水線處理器有固定指令位寬，流水線處理器的性能更難以預(yù)測，并且不同的程序之間的變化可能更大。

審核編輯 ：李倩