锋利的双刃剑全面认识CPU的流水线

　　Prescott核心的Pentium 4处理器系列上市之初就受到了各方的质疑，因为相比上一代Northwood核心Pentium 4处理器的20级流水线，新Pentium 4处理器的流水线达到了创记录的31级！究竟什么是流水线，为什么新Pentium 4处理器会采用超长流水线，它有什么样的负面影响呢？

一、我们为什么需要流水线？

　　借鉴了工业流水线制造的思想，现代CPU也采用了流水线设计。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CPU中采用流水线设计也有助于提高CPU的频率。先让我们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4个步骤：1.冲压：制作车身外壳和底盘等部件，2.焊接：将冲压成形后的各部件焊接成车身，3.涂装：将车身等主要部件清洗、化学处理、打磨、喷漆和烘干，4.总装：将各部件（包括发动机和向外采购的零部件）组装成车；同时对应地需要冲压、焊接、涂装和总装四个工人。如果不采用流水线，那么第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。

图2. 标注：未采用流水线的原始制造方式，同一时刻只有一辆汽车在装配。

　　不久之后大家就发现，某个时段中一辆汽车在进行装配时，其它三个工人处于闲置状态，显然这是对资源的极大浪费！于是大家开始思考能有效利用资源的方法：有什么办法让四个工人一起工作呢？那就是流水线！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。之后的每一辆汽车都是在前一辆冲压完毕后立刻进入冲压工序，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。

图3. 标注：采用流水线的制造方式，同一时刻四辆汽车在装配。

　　CPU的工作我们也可以大致分为指令的获取、解码、运算和结果的写入四个步骤，采用流水线设计之后，指令（好比待装配的汽车）就可以连续不断地进行处理。在同一个较长的时间段内，显然拥有流水线设计的CPU能够处理更多的指令。