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1 从经典的五级流水线说起

流水线的概念来源于工业制造领域，以汽车装配为例来解释流水线的工作方式，假设装配一辆汽车需要四个步骤：

第一步冲压：制作车身外壳和底盘等部件。

第二步焊接：将冲压成形后的各部件焊接成车身。

第三步涂装：将车身等主要部件清洗、化学处理、打磨、喷漆和烘干。

第四步总装：将各部件(包括发动机和向外采购的零部件)组装成车。

汽车装配则同时对应需要冲压、焊接、涂装和总装四个工人。最简单的方法是一辆汽车依次经过上述四个步骤装配完成之后，下一辆汽车才开始进行装配，最早期的工业制造就是采用的这种原始的方式，即同一时刻只有一辆汽车在装配。不久之后人们发现，某个时段中一辆汽车在进行装配时，其它三个工人都处于闲置状态，显然这是对资源的极大浪费，于是思考出能有效利用资源的新方法，即在第一辆汽车经过冲压进入焊接工序的时候，立刻开始进行第二辆汽车的冲压，而不是等到第一辆汽车经过全部四个工序后才开始，这样在后续生产中就能够保证四个工人一直处于运行状态，不会造成人员的闲置。这样的生产方式就好似流水川流不息，因此被称为流水线。

计算机体系结构教材中被提及最多的经典MIPS五级流水线如图1所示。在此流水线中一条指令的生命周期分为：

取指：

指令取指(Instruction Fetch)是指将指令从存储器中读取出来的过程。

译码：

指令译码(Instruction  Decode)是指将存储器中取出的指令进行翻译的过程。经过译码之后得到指令需要的操作数寄存器索引，可以使用此索引从通用寄存器组(Register  File，Regfile)中将操作数读出。

执行：

指令译码之后所需要进行的计算类型都已得知，并且已经从通用寄存器组中读取出了所需的操作数，那么接下来便进行指令执行(Instruction  Execute)。指令执行是指对指令进行真正运算的过程。譬如，如果指令是一条加法运算指令，则对操作数进行加法操作;如果是减法运算指令，则进行减法操作。

在“执行”阶段的最常见部件为算术逻辑部件运算器(Arithmetic Logical Unit，ALU)，作为实施具体运算的硬件功能单元。

访存：

存储器访问指令往往是指令集中最重要的指令类型之一，访存(Memory Access)是指存储器访问指令将数据从存储器中读出，或者写入存储器的过程。

写回：

写回(Write-Back)是指将指令执行的结果写回通用寄存器组的过程。如果是普通运算指令，该结果值来自于“执行”阶段计算的结果;如果是存储器读指令，该结果来自于“访存”阶段从存储器中读取出来的数据。

在工业制造中采用流水线可以提高单位时间的生产量，同样在处理器中采用流水线设计也有助于提高处理器的性能。以上述的五级流水线为例，由于前一条指令在完成了“取指”进入“译码”阶段后，下一条指令马上就可以进入“取指”阶段，依次类推，如图2所示，如果流水线没有停顿，理论上可以取得每个时钟周期都完成一条指令的性能。

图1 MIPS五级流水线结构图

图2 MIPS五级流水线运行图

2 可不可以不要流水线——流水线和状态机的关系

言及处理器微架构，几乎必谈流水线。那么，我们能否挑战一下权威提出一个有意思的问题：处理器难道就一定需要流水线吗?可否不要流水线呢?

在回答这个问题之前，我们先探讨下流水线的本质：

流水线并不限于处理器设计，在所有的ASIC电路实现中都广泛采用流水线的思想。流水线本质上可以理解为是一种以面积换性能(Trade Area for  Performance)、以空间换时间(Trade Space for Timing)的手段。

譬如，以5级流水线为例，其增加了5组寄存器，每一个流水线级数内部都有各自的组合逻辑数据通路，彼此之间没有复用资源，因此，其面积开销是比较大的，但是由于可以让不同的流水线级数同时做不同的事情，而达到流水的效果，提高了性能，优化了时序，增加了吞吐率。

与流水线相对应的另外一种策略是状态机，状态机是流水线的“取反”，同样在所有的ASIC电路实现中都广泛采用。状态机本质上可以理解为是一种以性能换面积(Trade  Performance for Area)、以时间换空间(Trade Timing for Space)的手段。