用生活例子引入流水線邏輯：**

為什么要引入流水線（流水線誕生之前）：

首先計算機是通過CPU執行指令來實現運行并計算的，計算機在設計之初，每條指令只能串行執行，意思就是等第一條指令執行完，第二條指令才能開始執行，這樣顯然效率太低。

流水線設計原理：

然而指令執行過程有很多階段，比如經典的五級流水線結構，把指令執行的階段分成五級，分別為取指、譯碼、執行、訪存、寫回，就像手機組裝生成線上的把組裝、檢測、包裝一樣，不同階段是不一樣的工人在干活，同樣五級流水線中的每一級用的也是不一樣的CPU部件。在手機組裝過程中，第一個人組裝完第一臺手機就把第一臺交給測試工人，組裝工人繼續組裝第二臺手機。測試工人也一樣測試完第一臺就交給下個包裝工人，自己繼續測試第二臺。所以有人想辦法借鑒組裝手機這種思想去構造流水線，第一條指令取指完，就把這條指令交給譯碼部件，自己繼續取指第二條，這樣的話從第5個時間段開始，每個部件都在自己忙活，不存在之前的串行問題，5個時間內，每個部件只上一個時間的班，其余時間都歇著。這就是流水線技術。

多發射：

但是隨著集成電路發展，很多人不滿足這樣的效率，萌生出一次我直接執行兩條毫無關系的指令。也就是一次發射兩條指令。多發射就是這個意思。顯然生活中肯定一心不能二用，但是現在可以增加部件，也就是組裝線上坐多個人也就是多條流水線，實現了多發射。

亂序執行：

由于在指令在一定邏輯上只能按照順序執行，比如疫情期間在家辦公，計劃的順序是起床、等快遞來送菜、做早飯、吃早飯、回復郵件、開始工作。但是快遞小哥遲遲不來，咱們是不是得一直等著他來送菜再進行下面的事情？顯然不會，你一定會把等菜、做飯、吃飯等一系列步驟放著，先去執行另一系列的步驟（發郵件、工作），因為這兩個系列的步驟是完全不相關的。放在CPU中的邏輯時，某條指令需要訪存，訪存的時候多級cache不命中、內存缺頁等原因導致訪存時間延長，這個時候是不是也像快遞小哥遲遲不來一樣，這個時候咱們就要先放棄這一系列的事情，先去執行后面的與之無關指令。等訪存結束再去回去執行之前被耽擱的指令，這就是亂序執行（因為指令的順序被打亂了）。這樣的代價在哪里？，為什么叫亂序執行，不叫亂序提交，那就是因為提交順序（最后結果）必須正確，比如一個寄存器按照原本的順序是 被改成3、3被訪問、被改成5、5被訪問，顯然前兩個跟后兩個沒有關系，如果出現了亂序執行，先執行了后兩個，那么寄存器最后結果就是3了，后續跟這個寄存器打交道的指令都會出錯（原本希望最后是5），所以提交順序一定要正確，所以設計了保留站和ROB（重排序緩沖），那就是標記指令本來的執行順序，在寫回（最后一級流水線）的時候、如果比自己標記好小的指令不提交，自己就在ROB中呆著等待原本在自己前面的指令提交。這樣就保證了既節省時間又能正確提交。

超標量：

上面是說的都是一個核同時只能執行一條指令，超標量就是一個核同時可以指令兩條指令。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的CPU指令执行及流水线（超标量、多发射、乱序执行）的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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