CPU摸鱼被抓，上了一个新技术！

我叫阿Q，是CPU一号车间里的员工，我所在的这个CPU足足有8个核，就有8个车间，干起活来杠杠滴。

我们CPU的任务就是执行程序员编写的程序，只不过程序员编写的是高级语言代码，而我们执行的是这些代码被编译器编译之后的机器指令。

那一天，我正在忙活着···

“阿Q，工作时间你怎么在摸鱼啊！”，领导突然到访，吓得我一哆嗦。

“领导，我正在执行的这条指令，需要从内存读取数据，这您是知道的，内存那家伙可慢了，所以我只好等着，这可不是摸鱼哦···”，我小心地解释到。

领导眉头紧锁，指着一片电路问道：“这些是做什么的，怎么没在工作？”

“那是读取指令的电路”

“旁边那些呢”

“那是指令译码的电路，我手里这条指令还没执行完，现在还轮不到它们工作”

“反正也是闲着，就不能提前处理下一条指令吗？”，领导问道。

“不行啊，我们一直都是一条指令处理完成才处理下一条指令”

“这些电路单元闲着有点浪费啊，可惜了”，领导嘴里念叨着离开了我们一号车间，留下不知所措的我呆在原地。

指令流水线

没过几天，领导找我们几个车间的代表开了个会。

会上，领导问道：“各位，咱们执行指令的效率能不能提一提，竞争对手快追上我们了”

“这怎么提啊，我们干活够卖力的了”

“是啊，也没有划水偷懒”

各车间代表七嘴八舌地说到。

“还说没有划水？我最近去各车间巡视，经常发现有人摸鱼”

一听这话，大家都沉默，我也羞愧地低下了头。

领导接着说道：“我在想啊，咱们现在执行指令的过程存在不少的资源浪费，大家能不能别等一条指令执行完再执行下一条，而是提前执行下一条”

这话一出，在场各车间的代表都满脸问号。我们平时都是一条一条地执行指令，怎么还能提前执行后面的指令呢，这简直有点不可思议。

见大家一脸茫然，领导接着说道：“咱们现在执行指令的过程其实是分了好几个步骤的，不同的步骤需要用到的电路设备基本上是不一样的，在执行后面步骤的同时，前面步骤所用到的电路就可以腾出来用于处理后面的指令了”

就在我还有些似懂非懂时，二号车间小虎站起来说道：“我明白了！”

领导露出了满意的笑容，问道：“说说看，你明白什么了”

小虎转身来到一旁的画板上，画了一张图：

“大家请看，我们平时执行指令，差不多四个主要的步骤：读取指令、指令译码、指令执行、数据回写。在第一条指令进入指令译码的步骤时，负责读取指令的电路模块就闲下来了，这时可以用来读取下一条指令，提前节省了时间。等到第一条指令进入执行的步骤时，指令译码的电路就能用来处理第二条指令，而读取指令的电路就能用来读取第三条指令，以此类推！”，小虎得意的说到。

“妙啊，妙啊！”，我也忍不住称赞道：“整个过程就像一条流水线一样，一环扣一环！这效率肯定能提升不少”

“流水线？这个名字好，要不咱们就把这项技术叫做指令流水线吧！”，领导说到。

不久，咱们CPU各个车间就开始正式推行这项技术，把原来执行指令的过程流水线化。

在我们一号车间又增加了一些人手：负责指令读取的小A、负责指令译码的小胖，负责结果回写的老K，至于我嘛，就负责具体的指令执行。

流水线的级数

用上了流水线之后，我们CPU的工作性能一下有了非常明显的提升，甩开了竞争对手一大截，领导高兴坏了。

但还没高兴太久，不知道谁走漏了消息，竞争对手CPU们也知道了这项技术，也用上了指令流水线，我们的差距又一次缩小了。

领导又一次召开会议。

“现在该怎么办？大家想想办法啊”

会场一度陷入了沉默，过了一会儿，六号车间的代表小六才站起来发言：“领导，我有一个办法”

“什么办法？”

小六润了润嗓子说道：“我先问大家一个问题，在我们没有使用指令流水线技术的时候，假设执行一条指令需要4个步骤，每个步骤需要1ns，那执行完一条指令总共需要多少时间？4条指令全部执行完又需要多少时间呢？”

“一个步骤1ns，一条指令总共4个步骤就是4ns，4条指令就是16ns，这也太简单了吧”，二号车间小虎说到。

“没错，那用上流水线以后呢？”

“让我想想，用了流水线技术以后，从第4ns开始，每过1ns就会有1条指令从流水线上完成，完成上面4条指令，总共只需要7ns，比原来省了一半的时间。”

“说的没错，大家发现没有，如果我们把执行步骤拆的再细一些，每个小步骤需要的时间更短一些，这样流水线的深度就会更深一些，流水线中容纳的指令也就越多，性能就会变得更高。”，小六激动的说到。

领导也听得有些糊涂，打断问道：“等等，你慢一点，我没太明白”

小六继续说道：“比如从现在的4个步骤，拆成8个更小的步骤，每个小步骤需要的时间减半为0.5ns，这样一来，流水线跑起来后，每隔0.5ns的时间就会有一条指令完成，比4个步骤的情况更快了！“

“妙啊！妙啊！”，领导忍不住鼓掌说道：“就这么干”

我总觉得哪里不太对劲，却一时也说不上来。

回去之后，我们就进行升级改造，将现在的四级流水线，改造成八级。

你还别说，效果还真是立竿见影，将指令执行过程拆分得更细以后，流水线中容纳的指令数变得更多了，进一步减少了CPU电路资源的浪费，执行性能比以前更强了。

但没过多久，竞争对手CPU也把流水线级数增加了，而且比我们的还多，这可急坏了领导。

没有办法，我们也只好再一次提升流水线级数来应对。

就这样双方你来我往，我们玩起了流水线级数大战，最疯狂的时候，我们把流水线级数做到了三十级。

终于，我们搞出了事情。

我们把一条指令的执行过程拆分的越来越细，虽然是提高了资源的利用率，但每个小步骤之间都需要做好交接，就需要增加很多额外的电路设备。

步骤之间交接不仅有额外的时间开销，增加的电路设备也会产生额外的功耗。

流水线级数到了一定深度后，发现性能没有增加反而下降了，而且功耗越来越大，风扇都要疯狂转起来给我们降温。

看来这流水线级数也不是越多越好啊！我们又主动降低了流水线级数，在性能和功耗上选择了一个平衡点。

流水线里的冒险

不仅如此，我们在使用指令流水线的过程中，也渐渐地发现了一些其他问题。

有时候，我执行到一些指令，需要从内存读取数据到寄存器中。不巧的是，负责读取指令的小A也准备从内存中读取后面的指令，这同一时间咱俩都要访问内存，都要使用访存电路，这下尴尬了，搞得流水线只好停顿下来等待，等我用完了小A再用，白白浪费了时间。

还有的时候，我执行到一些指令，所需要的数据来自于前一条指令计算的结果，可流水线中前一条指令还没有结束，结果还拿不到，流水线只好又停顿下来等待。

这都还不算啥，更要命的是，遇到了有分支的时候，根本不知道要去把哪个分支的指令加入流水线中处理。

于是，我们把这些问题都集中反馈了上去，后来我发现不仅仅是我们车间，其他车间也遇到了这些问题。

大家把这些问题叫做流水线里的冒险，还给这三种问题分别取了三个名字：

• 结构冒险 ：流水线中出现硬件资源竞争

• 数据冒险：流水线中后面的指令需要等待前面指令完成数据的读写

• 控制冒险：流水线需要根据前面指令的执行结果来决定下一步去哪执行

一时之间大家都没有什么好的办法，遇到这些问题就只好让流水线停顿下来等待，等待前面的指令完成，再继续工作。

但不断追求性能提升的领导，肯定不会放任这几个问题不管，又会想出什么样的应对办法呢？

【完】

---

上面的故事，出自我的新书 《趣话计算机底层技术》 ，如果觉得还不错的话，欢迎大家冲一波呀~