CPU - 指令流水线相关知识

Posted 2021-09-17 王万林 Ben

CPU - 指令流水线相关知识

什么是指令流水线？

图片来自维基百科。如图所示，指令流水线有4个stage，分别是Fetch、Decode、Execute与Write-back。设计指令流水线，使得在同一个时刻，每个Stage都能执行不同指令的一个Stage，大大增加了执行指令的throughput。

什么是Bubble（NOP, no operation）instruction?

Bubble instruction是一条空指令，意在使得下一条指令再慢一个Stage。如图所示，

那么Bubble instruction有什么作用？

假设两条指令间，第二条指令的输入是第一条指令的输出，它们有依赖关系。如图所示，如果第二条指令紧跟（仅落后一个Stage）第一条指令，则第二条指令的输入无法从第一条指令的输出获得。

因此引入一个气泡，使得第二条指令的输入能匹配到第一条指令的输出，这巧妙地解决了上述问题。如图所示：

参考资料

https://en.wikipedia.org/wiki/Pipeline_stall
https://software.intel.com/content/www/us/en/develop/blogs/pipeline-speak-learning-more-about-intel-microarchitecture-codename-sandy-bridge.html
https://software.intel.com/content/www/us/en/develop/blogs/pipeline-speak-part-2-the-second-part-of-the-sandy-bridge-pipeline.html
https://software.intel.com/content/www/us/en/develop/articles/processor-specific-performance-analysis-papers.html