结合Intel 奔腾系列微处理器谈流水线技术
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。
Intel系列CPU的流水线结构与性能分析
Intel系列CPU的流水线结构与性能分析流水线技术早在Intel的X86芯片中均得到了实现。
流水线的使用使CPU 的性能得到了很大的提升，而Pentium系列CPU产品更是一个高级的超标量处理器。
当然CPU流水线性能是有限制，影响CPU流水线性能的因素有:1、多个任务在同一时间周期内争用同一个流水段例如，假如在指令流水线中，如果数据和指令是放在同一个储存器中，并且访问接口也只有一个，那么，两条指令就会争用储存器；在一些算数流水线中，有些运算会同时访问一个运算部件。
2、数据依赖比如，A运算必须得到B运算的结果，但是，B运算还没有开始，A运算动作就必须等待，直到A运算完成，两次运算不能同时执行。
3、条件转移的影响如果第一条指令是一个条件转移指令，那么系统就会不清楚下面应该执行那一条指令。
这时就必须等第一条指令的判断结果出来才能执行第二条指令。
条件转移所造成的流水线停顿甚至比相关还要严重的多。
越是长的流水线，相关和转移两大问题也越严重，所以，流水线并不是越长越好，超标量也不是越多越好，找到一个速度与效率的平衡点才是最重要的。
为了解决这些影响流水线性能的因素和提高CPU性能，Intel公司采取了一系列技术手段。
在Pentium III的时候主要采用的技术1.采用超标量双流水线结构超标量流水线设计是Pentium微处理器技术的核心。
所谓超标量就是处理器内部含有多个执行单元来完成多条指令的同时执行。
Pentium有两条分别称为U和V的指令流水线，各自有独立的算术逻辑单元ALU及高速缓存结构。
这种双流水线并行作业的方式，使得Pentium在每个时钟周期内可同时执行两条指令。
此外，还有一个执行单元，保证同时完成一条浮点运算指令。
在Pentium III时采用3条独立的12级超标量流水线。
2.分支预测技术为了减少由于转移导致流水线的效率损失，Pentium采用分支预测技术来动态预测指令的目标地址，从而节省了CPU的执行时间。
计算机组成原理中的流水线与并行处理
计算机组成原理中的流水线与并行处理计算机组成原理是指计算机的各个组成部分及其相互关系的原理。
其中，流水线与并行处理是计算机组成原理中的两个重要概念。
本文将从流水线和并行处理的定义、特点、应用以及优缺点等方面进行论述。
一、流水线的定义和特点流水线技术是一种将复杂的任务分解为若干个互相依赖的子任务，并通过时序控制将其分别交给不同的处理单元进行执行的技术。
它可以提高计算机的执行效率和吞吐量。
与串行处理相比，流水线处理具有以下特点：1.任务分解：将复杂的任务分解为多个子任务，每个子任务由不同的处理单元负责执行。
2.流水线寄存器：通过在流水线各个阶段之间插入流水线寄存器，实现了各个阶段之间的数据传递和暂存，确保了数据的正确性和稳定性。
3.并行操作：不同的处理单元可以并行执行不同的任务，提高了计算机的并行处理能力。
4.随机任务执行：由于流水线中的各个阶段是独立的，因此可以随机运行和停止任务，提高了计算机的灵活性。
二、并行处理的定义和特点并行处理是指同时利用多个处理器或者多个处理单元并行执行多个任务的处理方式。
它可以大幅提升计算机系统的运算速度和处理能力。
并行处理的特点如下：1.任务分配：将大任务分解为多个小任务，并分配给多个处理单元同时执行。
2.任务协调：通过合理的任务调度算法，协调各个处理单元之间的任务执行顺序和数据传递，确保整个系统的稳定性和正确性。
3.资源共享：各个处理单元之间可以共享资源，如内存、缓存等，提高资源利用率。
4.计算效率提高：通过多个处理单元同时执行任务，大幅提高了计算效率和处理速度。
三、流水线与并行处理的应用流水线和并行处理在计算机领域被广泛应用，以下是几个常见的应用示例：1.超级计算机：超级计算机通常采用并行处理的方式，利用多个处理器同时进行计算，以提高计算能力。
2.图形处理器：图形处理器（GPU）采用流水线技术，将图像处理任务分解为多个子任务，通过流水线处理实现高效的图形渲染和计算。
Pentium微处理器内部寄存器
Pentium微处理器的内部寄存器Pentium是Intel公司于1993年3月推出的第五代80X86系列微处理器，简称P5或80586，中文译名为“奔腾”。
与其前辈80X86微处理器相比，Pentium采用了全新的设计，它有64位数据线和32位地址线，但依然保持了与其前辈80X86的兼容性，在相同的工作方式上可以执行所有的80X86程序。
Pentium的内部结构如图2.4所示。
它主要由执行单元、指令Cache、数据Cache、指令预取单元、指令译码单元、地址转换与管理单元、总线单元以及控制器等部件组成。
其中核心是执行单元(又叫运算器)，它的任务是高速完成各种算术和逻辑运算，其内部包括两个整数算术逻辑运算单元(ALU)和一个浮点运算器，分别用来执行整数和实数的各种运算。
为了提高效率，它们都集成了几十个数据寄存器用来临时存放一些中间结果。
这些功能部件除地址转换和管理单元与80386/80486保持兼容外，其他都进行了重新设计。
1) 超标量体系结构和指令流水线Pentium由“U”和“V”两条指令流水线构成超标量流水线结构，其中每条流水线都有自己的ALU、地址生成逻辑和Cache接口。
这种双流水线技术可以使两条指令在不同流水线中并行执行。
图2.4 Pentium微处理器的内部结构每条流水线又分为指令预取PF、指令译码(一次译码)D1、地址生成(二次译码)D2、指令执行EX和回写WB共5个步骤。
图2.5给出了Pentium的指令流水线操作示意。
图2.5 Pentium指令流水线操作示意图当第一条指令完成指令预取，进入第二个操作步骤D1，执行指令译码操作时，流水线就可以开始预取第二条指令；当第一条指令进入第三个步骤D2，执行地址生成时，第二条指令进入第二个步骤D1，开始指令译码，流水线又开始预取第三条指令；当第一条指令进入第四个步骤EX，执行指令规定的操作时，第二条指令进入第三个步骤D2，执行地址生成，第三条指令进入第二个步骤D1，开始指令译码，流水线又开始预取第四条指令；当第一条指令进入第五个步骤WB，执行回写操作时，第二条指令进入第四个步骤EX，执行指令规定的操作，第三条指令进入第三个步骤D2，执行地址生成，第四条指令进入第二个步骤D1，开始指令译码，流水线又开始预取第五条指令。
处理器系列之CPU流水线科普
处理器系列之CPU流水线科普1989年推出的i486处理器引入了五级流水线。
这时，在CPU中不再仅运行一条指令，每一级流水线在同一时刻都运行着不同的指令。
这个设计使得i486比同频率的386处理器性能提升了不止一倍。
五级流水线中的取指阶段将指令从指令缓存中取出（i486中的指令缓存为8KB）；第二级为译码阶段，将取出的指令翻译为具体的功能操作；第三级为转址阶段，用来将内存地址和偏移进行转换；第四级为执行阶段，指令在该阶段真正执行运算；第五级为退出阶段，运算的结果被写回寄存器或者内存。
由于处理器同时运行了多条指令，大大提升了程序运行的性能。
处理器一般由如下功能单元组成：取指单元译码单元执行单元Load/store单元（load用于从内存中取数据，而STORE用于存数据到内存）例外/中断单元电源管理单元流水线通常由取指、译码、执行及Load/Store等单元组成。
各单元按图所示的几个步骤循环重复自身工作。
流水线的含义：与工厂生产线类似，将一件工作分成若干个固定的工序进行。
cpu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。
（原理和生产流水线一样）CPU指令流水线根据之前描述的基础，指令进入流水线，通过流水线处理，从流水线出来的过程，对于我们程序员来说，是比较直观的。
I486拥有五级流水线。
分别是：取指(Fetch)，译码(D1, main decode)，转址(D2, translate)，执行(EX, execute)，写回(WB)。
某个指令可以在流水线的任何一级。
但是这样的流水线有一个明显的缺陷。
对于下面的指令代码，它们的功能是将两个变量的内容进行交换。
1 XOR a, b2 XOR b, a3 XOR a, b从8086直到386处理器都没有流水线。
Pentium微处理器
§2.5
Itanium微处理器
地址总线６４位 数据总线６４位 地址总线６４位，数据总线６４位，内部集成度为 ６４ ６４ 2.2亿个晶体管，约是Pentium的10倍。 亿个晶体管，约是 的 倍 亿个晶体管 特点： 特点：
可有三级Cache； ； 可有三级 多个执行部件和多个通道； 多个执行部件和多个通道； 数量众多寄存器； 数量众多寄存器； 采用完全并行指令计算技术； 采用完全并行指令计算技术； 采用新机制的分支预测技术。 采用新机制的分支预测技术。
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本 节 结 束 ， 谢 谢 合 作 ！
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2．分支预测技术
为了减少由于转移导致流水线的效率损失 ， Pentium采用分支预测技术来动态预测指令的目标 Pentium 采用分支预测技术来动态预测指令的目标 地址，从而节省了CPU的执行时间。 CPU的执行时间 地址 ， 从而节省了 CPU 的执行时间 。 通常在用户程 序中包含不少的条件转移指令，在流水线计算机中， 序中包含不少的条件转移指令，在流水线计算机中， 这些转移指令由于产生分支可能使予取和予译码指 令作废。 Pentium内部有两个予取指令缓冲队列 内部有两个予取指令缓冲队列， 令作废。 Pentium内部有两个予取指令缓冲队列， 在执行条件转移指令前，一个以顺序方式予取指令， 在执行条件转移指令前，一个以顺序方式予取指令， 另一个以转移方式予取
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4．更快的浮点运算单元
浮点运算过程分为8个流水步级， 浮点运算过程分为 8 个流水步级 ， 前 4 步同整数 流水线，接下来两步为二级浮点操作， 流水线，接下来两步为二级浮点操作，最后两步为 写结果、出错报告等。 写结果、出错报告等。浮点运算单元对一些常用指 令如ADD、MUL等不是采用微程序 而是由硬件实现， 等不是采用微程序， 令如ADD、MUL等不是采用微程序，而是由硬件实现， ADD 使浮点运算速度更快。 使浮点运算速度更快。
奔腾(Pentium)微处理器介绍
奔腾(Pentium)微处理器介绍
奔腾(PenTIum)微处理器介绍
提高微处理器性能有三个途径：
提高芯片内部时钟频率使操作速度加快，这将受到微电子工艺及芯片功耗的限制。
增加数据总线宽度，提高数据路径的流量，这将要求芯片集成度提高、封装引脚增多。
微体系结构中采用新技术，使更多的指令在同一时刻并行执行（提高指令执行并行性ILP），这是最重要的一点，这将要求芯片有更高的集成度以及新的设计思想。
提高处理器指令执行并行性（ILP）有两种方法：采用超级流水线(Super-pipeline): 将指令的执行分解成小的步骤(级), 不同指令中不同步骤可并行操作。
级数分的多，并行执行的指令也多。
超级流水线指的是多级数的流水线(如8级以上)。
采用超标量(Super-Scalar): 片内设置多重功能相同的部件，为指令并行执行提供硬件基础。
第一代奔腾微处理器采用0.8微米工艺，集成度310万晶体管，工作频率66MHz，指令与486兼容，性能比486大大提高，是Inter芯片技术发展中的里程碑。
奔腾微处理器结构特点
哈佛结构，有分开的指令Cache与数据Cache,各8KB容量。
奔腾微处理器结构特点
独立的两条整数执行流水线，U与V，在一时钟周期内可以发射两条整数。
奔腾4 CPU与奔腾III CPU区别
奔腾4 CPU与奔腾III CPU区别（一）奔腾4的诞生背景：奔腾4处理器因该说是在Intel为了挽回奔腾III处理器在同AMD Athlon处理器较量中的劣势的情况下诞生的。
当时奔腾III铜矿处理器无论在性能还是主频速度上都落后于AMD的新速龙，而一向被认作业界领导者的Intel无论如何不会甘心屈居人下，于是，内部工程代号为Willamette的第一代奔腾4处理器应运而生了。
这是Intel用来对付AMD的秘密武器，采用了当时业界领先的全新NetBurst设计架构，以及史无前例的四倍速400MHz总线频率。
众多先进技术的应用以及它那最直观的优势——主频，的确赢得了不少的掌声，使得Intel在与AMD的“世纪GHz大战”中终于取得了比较明显的领先优势。
那么，到底这款神秘的处理器拥有哪些技术特性？它与奔腾III处理器相比有哪些相同点及不同点？下面将为您一一解说。
二）奔腾III处理器的基本技术指标：铜矿奔腾III处理器：奔腾III铜矿处理器采用0.18微米工艺生产，内核集成32KB的一级缓存（包括16KB 数据缓存和16KB指令缓存）和256KB的全速二级缓存（其二级缓存采用8路联合机制，运行于与处理器主频相等的速度）。
这款处理器内核集成2810万个晶体管，封装形式为FC-PGA，共有370根插脚。
其运行频率从500MHz起跳，至1GHz止，采用100MHz及133MHz两种不同版本的前端总线频率，分别用“E”及“EB”来表示。
例如奔腾III800E代表800MHz主频，100MHz前端总线频率的处理器，而奔腾III800EB则代表800MHz主频，133MHz前端总线频率的处理器。
奔腾III处理器使用著名的SSE（Streaming SIMD Extension）指令集，拥有不错的性能且发热量很低。
其工作电压为1.60v-1.75v，普通的散热风扇就能保证它的稳定运行。
超频能力方面，很多低主频100MHz外频的奔腾III处理器都能够轻松的超至133MHz外频使用。
流水线结构在cpu中的运用是一种
高效的计算方式。
流水线结构是一种在CPU中实现的技术，它允许在一个时钟周期内完成多条指令的执行。
流水线结构通过将一条指令分为若干个独立的阶段来实现，每个阶段都负责执行一部分指令。
这样，在一个时钟周期内就可以同时执行多条指令。
这样，CPU 就可以在一个时钟周期内完成多条指令的执行。
流水线结构带来了很多优点，主要有以下几点:
提高了CPU的运行速度，由于在一个时钟周期内可以同时执行多条指令，所以CPU的运行速度得到了提高。
提高了CPU的并行度，可以同时执行多条指令，并行度提高了。
降低了CPU的功耗。
缺点：但是流水线结构也带来了一些问题，比如流水线控制和数据相关性等，这些问题需要程序员在编程时进行特别处理。
当流水线执行过程中出现数据相关性时，就会导致流水线活动的阻塞，这种现象称为流水线冒险（Pipeline Hazard）。
数据相关性通常发生在两条指令之间，而在这两条指令之间的那些指令就会因为数据相关性而被阻塞。
解决这个问题的方法有两种:
数据相关性检测和预流控制（Data Hazard Detection and Control）。
这种方法可以在指令执行之前检测出数据相关性，
并采取适当的措施防止阻塞。
流水线重排（Pipeline Rescheduling）。
这种方法可以在程序运行过程中，重新调整指令的执行顺序，以避免数据相关性。
流水线控制是一种很复杂的问题，需要综合考虑很多因素，比如指令的类型、指令的执行顺序、流水线的结构等等。
在这些因素的综合影响下，程序员需要在编程时特别注意这些问题，以避免流水线的阻塞。
微机系统中采用的先进技术
微机系统中采用的先进技术流水线技术借鉴工业流水线制造的思想，现代CPU 也采用了流水线设计。
流水线（Pipeline）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。
流水线是Intel 首次在486 芯片中开始使用的。
流水线的工作方式就像工业生产上的装配流水线。
在CPU 中由5～6 个不同功能的电路单元组成一条指令处理流水线，然后将一条X86 指令分成5～6 步后再由这些电路单元分别执行，这样就能实现在一个CPU 时钟周期完成一条指令，因此提高CPU 的运算速度。
经典奔腾每条整数流水线都分为四级流水，即指令预取、译码、执行、写回结果，浮点流水又分为八级流水。
高速缓冲存储器高速缓冲存储器是存在于主存与CPU 之间的一级存储器，由静态存储芯片（SRAM）组成，容量比较小但速度比主存高得多，接近于CPU 的速度。
在计算机存储系统的层次结构中，是介于中央处理器和主存储器之间的高速小容量存储器。
它和主存储器一起构成一级的存储器。
高速缓冲存储器和主存储器之间信息的调度和传送是由硬件自动进行的。
在计算机技术发展过程中，主存储器的存取速度一直比中央处理器操作速度慢得多，使中央处理器的高速处理能力不能充分发挥，导致整个计算机系统的工作效率受到影响。
有很多方法可用来缓和中央处理器和主存储器之间速度不匹配的矛盾，如采用多个通用寄存器、多存储体交叉存取等，在存储层次上采用高速缓冲存储器也是常用的方法之一。
很多大、中型计算机以及新近的一些小型机、微型机也都采用高速缓冲存储器。
高速缓冲存储器的容量一般只有主存储器的几百分之一，但它的存取速度能与中央处理器相匹配。
根据程序局部性原理，正在使用的主存储器某一单元邻近的那些单元将被用到的可能性很大。
因而，当中央处理器存取主存储器某一单元时，计算机硬件就自动地将包括该单元在内的那一组单元内容调入高速缓冲存储器，中央处理器即将存取的主存储器单元很可能就在刚刚调入高速缓冲存储器的那一组单元内。
二手电脑之赛扬、奔腾、酷睿、至强处理器之区别
⼆⼿电脑之赛扬、奔腾、酷睿、⾄强处理器之区别赛扬处理器与奔腾处理器在运算内核上完全相同，不同的地⽅是⼆级缓存的⼤⼩不同。
现有的台式机处理器P4的⼆级缓存⼤⼩是512KB，⽽P4赛扬的⼆级缓存⼤⼩是128KB。
赛扬：Intel公司的⼀个处理器品牌，当时Intel的中⾼端处理器相⽐减少或去除了三级缓存，发热功耗很低，⽽且最⼤⽀持内存较低。
所以性能上有所损失，但赛扬超频性能好，是追求性价⽐的DIYer的⾸选。
奔腾：奔腾处理器与以前的Intel公司处理器完全兼容，奔腾处理器中有两条数据流⽔线，可以同时执⾏两条指令，Intel公司把这种同时执⾏两条指令的能⼒称为超标量技术。
酷睿：服务器可以更快速，更低的功耗为企业节省⼤笔开⽀，创新技术保证安全稳定的运⾏。
台式机可以在占⽤更⼩空间的同时，为家庭⽤户带来更多全新的娱乐体验，为企业员⼯带来更⾼的⼯作效率。
笔记本电脑⽤户可以获得更⾼的移动性能和更耐久的电池使⽤时间。
简单明了的来解释：⾄强等属于级类，⽽奔腾、酷睿则属于架构,赛扬是奔腾的缩⽔版，主要是⼆级缓存上的区别，当然成本也低多了。
就是这样。
奔腾英特尔奔腾中央处理器制造⽇期: 由1993年到2005年⼚商: 英特尔处理器速度: 60 MHz 到4000 MHz 前端总线速度: 50 MHz 到800 MHz 酷睿---80586之后就停⽌了奔腾系列命名英特尔处理器的名称，服务器版的开发代号为Woodcrest，桌⾯版的开发代号为Conroe，移动版的开发代号为Merom。
，分双核、四核、⼋核三种。
酷睿处理器采⽤800MHz-1333Mhz的前端总线速率，45nm/65nm制程⼯艺，2M/4M/8M/12M/16M L2缓存，双核酷睿处理器通过SmartCache技术两个核⼼共享12M L2资源.英特尔公司已经结束使⽤长达12年之久的“奔腾”的处理器转⽽推出“Core 2 Duo”和“Core 2 Quad”品牌。
什么是流水线技术pipeline
什么是流水线技术pipeline/uid-9185047-id-445171.html2010流水线(Pipeline)技术是目前广泛应用于微处理芯片(CPU)中的一项关键技术，但对许多非专业性的读者来说，这个名词过于抽象，加上P6(高能奔腾)应用的超流水线(Super Pipeline)技术，更令人一头雾水，不知所云。
本文以简单、形象、非专业的语言来介绍这一技术，加深大家对其的理解。
流水线技术指的是对CPU内部的各条指令的执行方式的一种形容，要了解它，就必须先了解指令及其执行过程。
一、计算机指令及其执行过程计算机指令，就是告诉CPU要做什么事的一组特定的二进制集合。
如果我们将CPU比喻成一个加工厂，那么，一条指令就好比一张订单，它引发了CPU__加工厂的一系列动作，最后分别得到了运算结果和产品。
那么，它们到底是怎样工作的呢?首先，要有一个接收订单的部门——CPU的取指令机构；其次，还要有完成订单的车间——CPU的执行指令机构。
在工厂中，一张订单上的产品被分成了许多道工序，而指令亦在CPU中转换成了许多条对应的微操作，依次完成它们，就执行完了整条指令。
二、执行指令的方式及流水线技术在低档的CPU中，指令的执行是串行的，简单地说，就是执行完了一条指令后，再执行下一条指令，好比我们上面提到的那个加工厂在创业之初，只有一间小车间及孤军奋战的老板，那么，当他接到一张订单之后，他必然忙于完成第1张订单，而没有能力去接第2张订单。
这样接订单→完成订单→接订单→……取指令→执行指令→取指令→……是一个串行的过程。
后来，老板发现接受订单不费太多时间，而且他还有了一个帮工，他们可以相互独立地工作，这样，老板就在完成上张订单产品的同时，接受下一张订单的订货。
这表现在CPU上就是取指令机构与执行指令机构的分开，这样从CPU整体来看，CPU在执行上条指令的同时，又在并行地取下条指令。
这在CPU技术上是一个质的飞跃，它使得CPU从串行工作变为并行工作，从而具有了流水线的雏型。
高性能计算中的流水线技术分析(一)
高性能计算中的流水线技术分析随着科技的发展和数据量的不断增长，高性能计算成为当代信息技术领域的重要组成部分。
在高性能计算中，流水线技术起到了至关重要的作用。
本文将从流水线的定义、原理、优势和应用等方面进行深入分析。
一、流水线的定义和原理流水线技术是一种将一个复杂的任务分为多个子任务，通过多个阶段分别处理的技术。
它的运行原理是将输入的任务划分成若干个阶段，每个阶段处理一个任务，并通过将每个任务传递给下一个阶段，实现任务的并行处理。
流水线技术可以提高系统的整体性能和处理效率。
二、流水线技术的优势1. 提高处理效率：流水线技术能够将复杂任务分解成多个简单任务，在每个阶段都能并行处理多个任务，从而提高整体的处理效率。
2. 实现指令重叠：在流水线中，每个阶段都可以同时处理不同的任务，从而实现指令的重叠执行，提高了系统的吞吐量。
3. 减少资源闲置：由于流水线技术可以同时处理多个任务，并且每个阶段都可以开始下一个任务，所以能够减少资源的闲置时间，提高系统的利用率。
三、流水线技术的应用1. CPU设计中的流水线技术：在计算机的CPU设计中，流水线技术广泛应用。
将计算机指令划分为取指令、译码、执行、写回等阶段，并在每个阶段同时处理指令，提高了CPU的计算性能。
2. 图像处理中的流水线技术：在图像处理领域，流水线技术可以将图像处理任务划分为多个阶段，如图像读取、图像滤波、图像增强等，并通过并行处理，快速完成大规模的图像处理任务。
3. 云计算系统中的流水线技术：在云计算系统中，流水线技术可以将用户请求的处理过程划分为多个阶段，如请求接收、请求解析、资源分配等，并将每个阶段分别处理，提高了系统的响应速度和处理能力。
四、流水线技术的挑战和解决方案1. 数据依赖：在流水线中，不同任务之间可能存在依赖关系，导致任务的执行顺序发生变化，从而影响并行处理效果。
解决方案是通过增加冲突检测和处理的机制，在保证数据一致性的前提下实现最大程度的并行处理。
CPU都使用到什么处理技术
在处理器内部整合内存控制器，使得北桥芯片将变得不那么重要，改变了处理器访问主存的方式，有助于提高带宽、降低内存延时和提升处理器性制造工艺：Intel的I5可以达到28纳米，在将来的CPU制造工艺可以达到22纳米。
CPU封装是采用特定的材料将CPU芯片或CPU模块固化在其中以防损坏的保护措施，一般必须在封装后CPU才能交付用户使用。CPU的封装方式取决于CPU安装形式和器件集成设计，从大的分类来看通常采用Socket插座进行安装的CPU使用PGA(栅格阵列)方式封装，而采用Slot x槽安装的CPU则全部采用SEC(单边接插盒)的形式封装。还有PLGA(Plastic Land Grid Array)、OLGA(Organic Land Grid Array)等封装技术。由于市场竞争日益激烈，CPU封装技术的发展方向以节约成本为主。
SMP
SMP(Symmetric Multi-Processing)，对称多处理结构的简称，是指在一个计算机上汇集了一组处理器(多CPU)，各CPU之间共享内存子系统以及总线结构。在这种技术的支持下，一个服务器系统可以同时运行多个处理器，并共享内存和其他的主机资源。像双至强，也就是所说的二路，这是在对称处理器系统中最常见的一种(至强MP可以支持到四路，AMD Opteron可以支持1-8路)。也有少数是16路的。但是一般来讲，SMP结构的机器可扩展性较差，很难做到100个以上多处理器，常规的一般是8个到16个，不过这对于多数的用户来说已经够用了。在高性能服务器和工作站级主板架构中最为常见，像UNIX服务器可支持最多256个CPU的系统。
流水线CPU设计文档(0002)
流水线CPU设计文档流水线CPU 设计文档张路一、 设计结构图：二、 设计概要：该处理器采用5级流水线技术，在处理器中，指令的处理分5阶段完成：取指、译码、执行、访存、写回。
每阶段与前一阶段采用寄存器组暂存指令数据信息和控制信号，完成对指令的流水化处理。
1、 取指阶段：PCImemReg32DMem DecoderExt9NextPC MULT ALUW1R1R2WE BusA BusB BusCBusAALUOPFLAGSResult FLAGSResultMux MuxMultI F /I DImm9ALUOPI D /E XRegW Mux BusBBSrc E X /M EMemWrRegSrcImm32Imm32ASR AddrMemWr EX /M EDataInDataOu tRdRd RdDataInMemOut ALUOutMuxRegSrcRegWRdR3BusCLabelPCFlagsLabelRs2BranOpBranOpBusBMuxASrc MuxASRSrc ForwardRd Ex:RegW RegSrc RdMem:RegW RegSrc RdWB:RegW RegSrc BSrc Asrc RS1RS2RDFwd.B Fwd.A BMux AMuxStallStallClkClkClkClkClkClkClkClkStallResetResetResetReset ResetPCImemNextPC I F /I DPCFlagsLabelRs2BranOpStallClkClkClkResetResetStall通过PC 寄存器中的值在IMem 中取出指令，送入IF/ID 寄存器中。
2、 译码阶段Reg32DecoderExt9W1R1R2WE BusA BusB BusCMultI F /I DImm9ALUOPI D /E XRegW BSrc MemWrRegSrcImm32Imm32RdDataInR3LabelBranOpASrc ASRSrc BSrcAsrc RS1RS2RDClkClkClkReset译码阶段中，根据指令译出相应的控制信号，同时将使用的寄存器和扩展之后的立即数送入ID/EX 寄存器中。
第2章 Pentium系列微处理器的基本结构
SSE指令集包括了70条指令，其中包含提高3D图形运算效 率的50条SIMD(单指令多数据技术)浮点运算指令、12 条MMX 整数运算增强指令、8条优化内存中连续数据 块传输指令。
与P2时代的MMX相比，SSE也是在原来的处理器指令集 的基础上添加的扩展指令集，都是SIMD(单指令多数据) 指令，不同的是他们处理的数据类型不同. MMX只能在 整数上支持SIMD，而SSE指令增加了单精度浮点数的 SIMD支持.MMX可以进行同时对2个32位的整数操作， 而SSE可以同时对4个32位的浮点数操作。MMX和SSE 的一个主要的区别是MMX并没有定义新的寄存器，而 SSE定义了8个全新的128位寄存器，每个寄存器可以同 时存放4个单精度浮点数(每个32位长)，
② 空间并行---指资源重复。实现形式主要为 多处理器系统和多计算机系统；
③ 时间并行＋空间并行---时间重叠和资源重 复的综合应用，例：超标量流水技术。
流水工作方式：将一个计算任务细分成若干
个子任务，每个子任务由专门的部件处理，多 个计算任务依次进行并行处理。
流水线中主要存在三种相关冲突，会使流水线 发生断流，而不能充分发挥作用，因此需采 取 相应的技术对策。
2.MMX
8个MMX寄存器MM0—MM7的宽度为64位，但 它们没有单独设置，而是借用浮点处理单元中的8 个(80位)数据寄存器，它是通过使用“别名”的办 法来实现的。即浮点单元的8个数据寄存 器被浮点 指令看成ST0—ST7，被MMX指令看成是MM0— MM7。
这样，8个字节或4个字或2个双字被打包装入一 个64位的MMX寄存器，一旦执行一条MMX指令时， 将所有这些8个、4个或2个的数据同时取出，进行 数学运算或逻辑操作，最后结果写入MMX寄存器。 事实上，这种运算处理过程是一种并行处理过程， 故称为SIMD(单指令 多数据)的并行处理。
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加快机器语言的解释过程提高机器的运算速度是设计计算机的基本任务之一。
这可以通过两个途径来实现。
一个途径是提高器件的速度，采用更好的算法，增加指令内各微操作的并行程度，减少解释过程所需要的拍数等多项措施来加快机器指令的解释。
另一个途径则是采用重叠和流水方法，同时解释两条、多条以至整段程序，从而加快整个机器语言程序的解释。
流水线技术是目前广泛应用于微处理芯片中的一项关键技术,Intel公司更是这项技术在微处理器中应用的首先实现者。
这里主要结合Intel公司的Pentium系列微处理芯片（CPU）对流水线技术的原理及实现技术作了阐述，也附带介绍了超流水线、超标量以及向量流水处理的重要概念。
流水线相关概念和问题
指令的三种控制方法：顺序方法、重叠方式、流水方式。
顺序方法是指各条机器指令之间顺序串行地执行，而且每条机器指令内部的各个微指令也是串行执行。
这种方法虽然控制简单但速度上不去，机器各部件的利用率低。
重叠方式是指在解释第K条指令的操作完成之前就开始解释第K+1条指令。
通常都是采用一次重叠，即在任何时候，指令分析部件和指令执行部件都只有相邻两条指令在重叠解释。
这种方式使指令的解释速度有所提高，控制也不太复杂但会出现冲突、转移、相关等问题，这些都需要在设计时想办法解决。
流水方式就是把并行性或并发性镶嵌到计算机系统里的一中形式。
它是把重叠的顺序处理过程分解为若干过程，每个过程能在专用的独立模块上有效地并发工作的技术。
在概念上“流水”可以看成“重叠”的延伸。
不同的是“一次重叠”只是把一条指令的解释分解成两个子过程，而“流水”则是分解为更多的子过程。
流水线的性能的主要指标是吞吐率（throughput）、效率（efficiency）、流水深度（deep）以及加速比（speedup）。
从不同的级别上可对流水线进行不同的分类，这些“分类”对我们理解流水线的概念有着重要的作用。
下面就从不同角度对流水线的份类进行讲述：
1 从流水的级别上，可分为部件级、处理机级以及系统级的流水。
2 从流水的功能上，可分为但功能流水线和多功能流水线。
3 从流水的联接上，可分为静态流水线和动态流水线。
4 从流水是否有反馈回路，可分为线性流水线和非线性流水线。
5 从流水的流动顺序上，可分为同步流水线和异步流水线。
6 从流水线的数据表示上，可分为标量流水线和向量流水线。
如果机器没有向量数据表示，只对标量数据进行流水处理就称为标量流水线。
如果机器具有向量数据表示，设置了相应的向量运算硬件和向量处理指令，能流水地对向量的各元素并行处理就称为向量流水线。
RISC中的流水技术
一、超流水线技术
超流水线（Super Pipeline）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。
二、超标量技术
超标量（Super Scalar）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。
流水线实现中的问题及解决
流水线实现的一个问题是使流水线连续不断地流动，即不出现流断，才能获得高效率。
断流的原因很多，除了编译生成的目标程序不能发挥流水结构的作用，或者存储系统不能及时供应连续流动所需的指令和操作数外，主要还与出现了相关、转移以及中断指令有关。
解决局部性相关有两种方法：退后法和通路法；解决全局性相关有三种方法：猜测转移分支、加快和提前形成条件码、加快短暂环程序处理。
流水技术在Pentium系列微处理器中的实现
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。
它是建筑在两个通用的整型流水线和一个可流水作业的浮点单元上的，这使处理器能够同时执行两条整型指令。
一个对软件透明的动态分支预测机制能够使分支的流水线阻塞达到最小化。
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。
第一个逻辑管道称之为“U”管道，第二个称之为“V”管道。
在任何一条给定的指令译码期间，它安排的后面两条指令将被检查。
并且，如果有可能，第一条指令被安排到“U”管道执行，第二条指令被安排到“V”管道执行。
如果不能，则第一条指令被安排到“U”管道执行，“V”管道中不安排指令运行。
指令在两个管道中运行与它们顺序执行所产生的效果是完全一样的。
当发生管道阻塞时，后继的指令无法通过被阻塞的指令所在的任一管道中。
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。
指令从代码的高速缓冲区中预取出来，被送入到“预取”(PF)阶段，并且在“提取”(F)阶段中进行指令的语法分析。
另外，全部的前缀译码都在F阶段中进行。
指令在先进先出(FIFO)的指令缓冲区中将语法分析与指令译码分开，这个缓冲区位于F阶段与译码1(D1)阶段之间。
FIFO缓冲区的空间能够将被处理的指令上升到四条指令。
FIFO缓冲区是透明的，当它为空时，不增加额外的迟延。
在每个时钟周期内，可将两条指令压到指令的FIFO缓冲区中(根据有效的代码字节，以及其它因素，如前缀)。
然后，再将成对的指令从FIFO缓冲区中弹出来，送到D1阶段中。
由于指令的平均执行效率为每个时钟周期内不超过两条指令，所以FIFO通常是满的。
只要FIFO是满的，就可以防止在指令提取和进行语法分析时产生的阻塞。
如果发生了这样的阻塞，FIFO也可以使阻塞不在管道的执行阶段上发生。
但如果FIFO空，由于流水线中无指令运行，则可能会导致一个执行阻塞。
较长的指令或前缀可能会在FIFO入口处产生阻塞。
所谓“P6系列”的动态执行流水线
超流水线(Super Pipeline)在本质上仍为一种流水线技术，但它做了以下的改进：
1.流水线条数从奔腾的两条增至三条，还有十一个独立的执行单元并行支持。
2.在执行中采取了无序执行(out－of－order processing)技术。
即当某条指令需要一些数据而未能立即执行完毕时，它将被剔出流水线并等待数据，CPU则马上执行下条指令，就好比在装配线上发现某件产品不太合格，而被淘汰，等待返工一个道理。
这样，可以防止一条指令不能执行而影响了整个流水线的效率。
3.在P6中将指令划分成了更细的阶段，从而使逻辑设计、工序等等更为简化，提高了速度。
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。
这些处理器有一个有序进入的流水线，它将Intel 386的宏指令支解成简单的微操作(或UOP)和一个可以处理这些微操作的乱序的超标量处理器内核。
这个乱序的处理器内核包含了几条流水线，连接了整型、跳转、浮点和内存执行单元。
几种不同的执行单元可以集成在同一条流水线上。
例如：一个整型地址逻辑单元和浮点执行单元(加法器、乘法器和除法器)同享一个流水线。
数据高速缓冲区由一个专用的读取端口和其它的存储端口交错而成。
大多数简单操作(整型ALU，浮点加法，甚至浮点乘法)可以按每时钟周期完成一至两个操作的吞吐量进行流水作业。
浮点除法不可以进入流水线，长迟延操作可以和短迟延操作并行处理。
P6系列的流水线由三部分构成：有序组织的前端(In-Order Issue Front-end)单元，乱序内核(Out-of-Order Co
re)单元和有序的退出(In-Order Retirement)单元。
Intel新近推出的奔腾Ⅲ处理器使用了P6中的动态执行技术，包括多分枝预测、数据流分析、投机执行。
同时奔腾Ⅲ处理器具有一个流水线式的浮点运算单元(FPU)，可支持32位、64位和80位的浮点运算。
最近Intel又发表奔腾4，奔腾4基本的指令流水线长度达到了20级，是P6架构的2倍，也超过了AMD 的Athlon。
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。
总结
流水线技术一开始就是在巨型机、大型机上应用，后来Intel公司把这项技术运用于微处理器，这项技术的根本目的就是合理利用现有硬件，提高CPU处理能力。
由于使用多种技术包括硬气件发展提高了微处理的运算速度，同时也拓展了微型机的应用范围。
随着硬气件的发展以后还会出现这种“自上向下”的发展，今天我们使用的微型机就是往日的巨型机、大型机。
新技术会不断产生，目的只有一个：提高计算机的性能。