Intel系列CPU流水线技术的发展与展望

Intel系列CPU流水线技术的发展与展望流水线技术是指在程序执行时多条指令重叠进行操作的一种准并行处理实

现技术。在计算机中，把一个重复的过程分解为若干子过程，每个子过程由专门的功能部件来实现。将多个处理过程在时间上错开，依次通过各功能段，这样，每个子过程就可以与其他子过程并行进行。其中，流水线中的每个子过程及其功能部件称为流水线的级或段，段与段相互连接形成流水线。流水线的段数称为流水线的深度。把流水线技术应用于指令的解释执行过程，就形成了指令流水线。其中可以把指令的执行过程分为取指令、译码、执行、存结果4个子过程。把流水线技术应用于运算的执行过程，就形成了运算操作流水线，也称为部件级流水线。

Inter Pentium 系列中采用的流水线技术

流水线技术早在Intel的X86芯片中均得到了实现。而Pentium系列CPU产品更是一个高级的超标量处理器。奔腾处理器可以在一个时钟周期内完成两条指令，一个流水线完成一条指令。具有MMX技术的奔腾处理器为整型流水线增加了一个额外的处理阶段。在486芯片中，一条指令一般被划分为五个标准的部分，奔腾亦是如此，而在P6中，由于采用了近似于RISC的技术，一条指令被划分成了创纪录的十四个阶段，这极大地提高了流水线的速度。P6系列处理器使用动态执行结构，该结构通过硬件寄存器重命名和分支预测的方法，将乱序执行和推测执行合成在一起。奔腾Ⅲ处理器使用了P6中的动态执行技术，增加了超标量双流水线结构、分支预测技术、通过乱序来优化指令流水线、将指令划分为更细的阶段。而奔腾Ⅳ新增的技术有使用高级动态执行、执行跟踪缓存、快速执行引擎、超长管道处理技术、超线程技术。它基本的指令流水线长度达到了20级，更长的流水线可以使处理器运行在更高的主频下，从而提高处理器的性能，但有可能带来一些指令执行上的延迟。

提高流水线性能的方法及相关技术

从不同的角度和观点，可以把流水线分成多种不同的种类。按照流水线所完成的功能来分，可以分为单功能流水线和多功能流水线。按照同一时间段内各段之间的连接方式来对多功能流水线进一步的分类，可以分成静态流水线和动态流水线。若是按照流水的级别来分类，则可以分成部件级、处理机级和处理机间流水线。若按照流水线中是否有回馈回路来分，又可以分为线性流水线和非线性流水线。按照任务流入和流出的顺序是否相同可以分为顺序流水线和乱序流水线。

衡量一个流水线性能的主要指标有吞吐率、加速比和效率。吞吐率是指在单位时间内流水线所完成的任务数量或者输出的结果数量。完成一批任务，不使用流水线所花的时间与使用流水线所用时间直比即为流水线的加速比。流水线的效

率是指流水线中的设备实际使用时间与整个运行时间的比值，即流水线设备的利用率。

在处理机中采用流水线方式与采用传统的串行方式相比，具有一下特点：

1、在流水线中处理的必须是连续任务，只有连续不断的提供任务才能充分发挥流水线的效率。在采用流水线工作方式的处理器中，特别是当流水线的级数较多时，要在软件和硬件等多方面为流水线提供连续的任务，以提高流水线的效率。

2、把一个任务分解成几个有联系的子任务，每个任务由一个专门的功能部件来实现。因此，流水线实际上是把一个大的功能部件分解为多个独立的功能部件，并依靠多个功能部件并行工作来缩短程序的执行时间。

3、在流水线每一个功能部件后面都要有一个缓冲寄存器，或称为锁存器等，用于保存本段执行的结果。这是因为流水线中每一段的延迟一般都不可能相等，因此，在段与段之间传递子任务时，必须要通过缓冲寄存器。当某一个功能段的时间变化范围比较大的时候，要设置多个缓冲寄存器。

4、流水线中各个段要尽量匀称，即时间要求尽量相等，否则将容易引起“阻塞”、“断流”等问题。执行时间最长的段将成为整个流水线的“瓶颈”，这时，流水线中各段将受到限制而不能充分发挥作用。只有当整个流水线完全充满时，整个流水线的效率才能得到充分的发挥。

因此要设计出高效率的流水线，要充分注意上述问题。

流水线技术成为RISC处理器设计方法中最基本的技术之一，也是当前指令集处理器设计中广泛采用的技术。现代RISC中的流水线技术中主要有超流水线技术和超标量技术。超流水线技术是RISC采用的一种并行处理技术。他通过细化流水，增加级数和提高主频，使得在每个机器周期内能完成一个甚至两个浮点操作。其实质就是以时间换取空间。超流水机器的特征就是在所有的功能单元都才用流水，并有更高的时钟频率和更深的流水深度。超标量技术是RISC采用的有一种处理技术，它通过内装多条流水线来同时执行多个处理，其实质就是以空间换取时间。

展望Intel CPU提高流水线性能的技术方向流水线技术是一项可以应用于任何ISA的微体系结构技术。RISC体系结构的

特性确定确实能够使流水线的设计更加容易。流水线技术已经被证明是提高处理器性能的一项十分强大的技术，并且在流水线深度方面仍然有很多上升空间。不难想象，以后还会有更深的流水线出现。

我认为在未来的一段时间流水线将继续高速发展，并会在下面几个方面得到改进和加强。

1. CPU线程的提高。CPU线程会越来越多，多线程的使用，使CPU的流水线效率和速度得到了很大的提高，所以未来CPU可能会出现一个CPU8个、16个、32个甚至64个线程的情况。

2. 更多条数的流水线。就像GPU那样已经发展到32条流水线并行工作，流水线条数的增加，使CPU在相同的时间内完成更多的工作，相当于提高了CPU

的性能。

3. 提供更新的Cache搜索算法和轮换算法。Cache不是越大越好，当Cache 大小达到一定水平后，如果不及时更新Cache的搜索算法和Cache的轮换算法，CPU的性能没法得到本质的提高。

4. 一定量地减少流水线深度。后PC时代，是移动运算高速发展的时代，所以CPU应该向低功率，高性能的方向发展，所以流水线深度可能更小，但CPU 采用更好的架构以及更高的工艺来制造，达到和长流水线一样甚至更高的性能。

总之，在CPU的发展中，流水线的发展占据着非常重要的作用，所以我们可以从流水线着手，设计并实现更高性能的流水线技术，从系统结构角度出发来促进CPU性能的发展。

【参考资料】

[1] 张晨曦,王志英. 计算机系统结构. 高等教育出版社

[2] 郑纬民,汤志忠. 计算机系统结构. 清华大学出版社

[3] 百度百科流水线技术，Pentium

[4] 百度文库Intel系列CPU的流水线结构与性能分析

班级：10007200

学号：1004220146

姓名：徐晓峰