| 你了解CPU流水线吗？ |
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| 让我们先来了解一下流水线（Ｐｉｐｅｌｉｎｅ）。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（如图１）。 流水线是ＣＰＵ性能的一个重要参数。流水线设计的不同是由ＣＰＵ本身的构架所决定的，而采用几级的流水线是由ＣＰＵ设计的目的决定的。我们知道Ｋ７和ＰⅢ的流水线为１０级，Ｋ８为１２级的；Ｐ４既有２０级的（Ｎｏｒｔｈｗｏｏｄ和Ｗｉｌｌａｍｅｔｔｅ核心）也有３１级的（Ｐｒｅｓｃｏｔｔ核心），这取决于ＣＰＵ的核心。可是还有一些问题是容易让人忽视的，下面就让笔者来谈一谈流水线带来的误区。 处理器流水线基本可以划分为：指令预取→指令解码→指令执行→载入／储存→写回寄存器这五个部分。在一个周期内只能进行单一的“行为”，如“预取”、“解码”等，但不否认可以同时进行这五个操作。 流水线可以被比喻为“楼梯”，不管采用几级流水线，一个周期内所达到的高度都是一个楼层的高度。也就是说楼梯采用的阶数越多，坡度越小，同时路程也越长；这样对于构架一定的情况下，楼梯的阶数必然有一个最佳值。ＣＰＵ的主频，可以将其看成登楼梯的某人的速度，而在一定的时间内人所到达的高度便是ＣＰＵ的性能。这样说，或许不够清晰，我们不妨用具体的数值来看一下。假设楼梯的阶数为１０（Ｋ７），速度为１ＧＨｚ，它完成一个周期的时间就是１０／１＝１０。而如果楼梯的阶数为２０（Ｐ４），速度为２ＧＨｚ，完成一个周期的时间也是１０（２０／２）。也就是说采用２０阶需要２倍的速度才可以在同样的时间内完成相同的任务。但这种计算方法过于简单，在实际运算中并不是这样的（如图２）。也就是说２０阶楼梯的路程并不是１０阶路程的２倍，但这个比方却能很形象地说明流水线的长短与频率之间的关系。 那么既然如此，为什么ＣＰＵ厂商还在不断加长ＣＰＵ的流水线呢？Ｉｎｔｅｌ最新的Ｐｒｅｓｃｏｔｔ核心的ＣＰＵ流水线长达３１级。增加的流水线级数，设计起来比较容易，电路比较简单，每级执行的操作也简单，同时有利于提升处理器的频率。“可提升处理器的频率”这一点对厂商来说很重要，可以让其在频率的竞争中处于领先的位置。但有一利就有一弊，超长流水线所带来的负面效应，就是分支预测性能的下降。分支误预测仍是Ｉｎｔｅｌ最弱的一环。分支预测发生在流水线的第一段，如果处理器误预测了一个分支，它必须从流水线中冲掉在错误分支方向上执行的全部指令，然后在正确的程序分支方向上重新启动指令执行和处理。流水线越长分支误预测造成的性能损失越大。简单地说Ｐｅｎｔｉｕｍ ４处理器在运行中如果分支预测准确，运行速度会很快，如果预测错误，那么Ｐｅｎｔｉｕｍ ４处理器将比ＡＭＤ处理器受到更多周期的惩罚。 前面笔者曾提到过“如何设计流水线是由ＣＰＵ本身的构架决定的”。其实，关于流水线不仅仅只是文中开头的那几个数字。因为设计的不同，ＡＭＤ的ＣＰＵ包括整数流水线和浮点流水线。如Ｋ７构架的整数流水线为１０级，而浮点流水线（又称“流水线深度”）１５级；Ｋ８构架的整数流水线在Ｋ７的基础上增加了２级（即１２级），浮点流水线也是如此（即１７级）。而Ｉｎｔｅｌ的流水线就更为特殊，因为其特殊的构架它并不分整数和浮点流水线，而是将８级指令获取／解码的流水线分离出来，因此严格说起来，Ｎｏｒｔｈｗｏｏｄ和Ｗｉｌｌａｍｅｔｔｅ核心有２８级流水线，而Ｐｒｏｓｃｏｔｔ有３９级流水线，是现在Ａｔｈｌｏｎ ６４（Ｋ８）架构流水线的两倍。 ＣＰＵ是一个整体单纯地看待某一个性能参数是不明智的，所以现在ＡＭＤ和Ｉｎｔｅｌ都在提出各自对ＣＰＵ性能评价的标准。ＡＭＤ提出“ＴＰＩ ??Ｔｒｕｅ Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｉｎｉｔｉａｔｉｖｅ??理念”，即所谓真实性能标准理念，是指协助用户全面理解适合实际应用需求的电脑性能的一种理念。它既取决于ＣＰＵ的时钟频率（以ＭＨｚ或ＧＨｚ计量），又取决于ＣＰＵ在规定时钟周期内可以完成的工作量??以每时钟周期完成的指令数（ＩＰＣ）计量??。真实性能就等于时钟频率与单位时间周期完成工作量的组合，即应用性能＝??时钟频率／ＭＨｚ??×??每时钟周期完成的工作量／ＩＰＣ??。而Ｉｎｔｅｌ也提出用“耗电／性能”作为衡量ＣＰＵ性能的标准。 结论一：流水线的提出可以将复杂的操作或问题简单化（分成几个简单的部分，个个击破）。ＡＭＤ ＣＰＵ浮点运算比较强劲，与它单独设计浮点流水线不无关系，而Ｉｎｔｅｌ在整数和解码方面一直独占鳌头，与它“将８级指令获取／解码的流水线分离出来”有很大关系。 结论二：文中提到楼梯的比喻并不贴切，因为它不能反映出同时进行的多个操作。不过，倒很能说明流水线越长就越需要高频率来支持。 结论三：长流水线有利于提升ＣＰＵ频率，但主频不是惟一衡量ＣＰＵ性能的参数，对于此时ＣＰＵ技术的高度发展，用其来衡量ＣＰＵ的性能并不合理，这也是就Ｉｎｔｅｌ在频率竞争中放弃追求长流水线的原因。 最后，笔者希望大家不要片面地将流水线作为衡量一款处理器的重要标准，毕竟ＣＰＵ只有实际应用中获得出色的表现才     |
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