指令管線化

指令管線化（英語：Instruction pipeline）是為了讓計算機和其它數位電子裝置能夠加速指令的通過速度（單位時間內被執行的指令數量）而設計的技術。

RISC機器的五層管線示意圖（IF：讀取指令，ID：指令解碼，EX：執行，MEM：記憶體存取，WB：寫回暫存器）

管線在處理器的內部被組織成層級，各個層級的管線能半獨立地單獨運作。每一個層級都被管理並且鏈接到一條“鏈”，因而每個層級的輸出被送到其它層級直至任務完成。 處理器的這種組織方式能使總體的處理時間顯著縮短。

未管線化的架構產生的效率低，因為有些CPU的模組在其他模組執行時是閒置的。管線化雖並不會完全消除CPU的閒置時間，但是能夠讓這些模組並行運作而大幅提升程式執行的效率。差不多有些類似流水線工廠的概念。

但並不是所有的指令都是獨立的。在一條簡單的管線中，完成一個指令可能需要5層。如右圖所示，要在最佳性能下運算，當第一個指令被執行時，這個管線需要運行隨後4條獨立的指令。可是，如果隨後4條指令依賴於第一條指令的輸出，管線控制邏輯器，就必須插入延遲時脈周期到管線內，直到依賴被滿足。而轉發技術能顯著減少延時。憑藉多個層，雖然管線化在理論上能提高效能，優勝於無管線的內核（假設時脈也因應層的數量按比例增加），但事實上，許多指令碼設計中並不會考慮到理想的執行。

簡介

 

RISC機器的五層管線示意圖

管線化是假設程式執行時有一連串的指令要被執行（垂直座標i是指令集，水平座標表時間t）。絕大多數當代的CPU都是利用時脈驅動。

而CPU是由內部的邏輯閘與正反器組成。當受到時脈觸發時，正反器得到新的數值，並且邏輯閘需要一段時間來解析出新的數值，而當受到下一個時脈觸發時正反器又得到新的數值，以此類推。而藉由邏輯閘分散成很多小區塊，再讓正反器鏈接這些小區塊組，使邏輯閘輸出正確數值的時間延遲得以減少，這樣一來就可以減少指令執行所需要的周期。

舉例來說，典型的RISC管線被分解成五個階段，每個階段之間使用正反器鏈接。

1. 讀取指令
2. 指令解碼與讀取暫存器
3. 執行
4. 記憶體存取
5. 寫回暫存器

優缺點

並非在所有情況下管線技術都起作用。可能有一些缺點。如果一條指令管線能夠在每一個時脈週期接納一條新的指令，被稱為完整管線化（fully pipelined）。因管線中的指令需要延遲處理而要等待數個時脈週期，被稱為非完整管線化。

當一名程序員（或者組合者/編譯者）編寫組合代碼（或者彙編碼）時，他們會假定每個指令是循序執行的。而這個假設會使管線化無效。當此現象發生後程式會表現的不正常，而此現象就是危害。不過目前有提供幾種技術來解決這些危害像是轉發與延遲等。

優點

1. 减少了处理器执行指令所需要的時脈週期，在通常情況下增加了指令的輸入頻率（issue-rate）。
2. 一些集成電路（combinational circuits），例如加法器（adders）或者乘法器（multipliers），通過添加更多的環路（circuitry）使其工作得更快。如果以管線化替代，能相對地減少環路。

缺點

1. 非管線化的處理器每次（at a time）只執行一個指令。防止分支延時（事實上，每個分支都會產生延時）和串行指令被并行執行產生的問題。設計比較簡單和較低生產成本。
2. 在執行相同的指令時，非管線化處理器的指令傳輸延遲時間（The instruction latency）比管線化處理器明顯較短。這是因為管線化的處理器必須在數據路徑（data path）中添加額外正反器（flip-flops）。
3. 非管線化處理器有固定指令位寬（a stable instruction bandwidth）。管線化處理器的性能更難以預測，並且不同的程序之間的變化（vary）可能更大。

示例

一般的管線

 

一般的四層管線架構；不同的顏色格表示不同的指令

右圖是一般有4層管線的示意圖：

1. 讀取指令（Fetch）
2. 指令解碼（Decode）
3. 執行指令（Execute）
4. 寫回執行结果（Write-back）

上方的大灰色格是一連串未執行的指令；下方的大灰色格則是已執行完成的指令；中間的大白色格則是管線。

執行順序如以下列表所示：

時序	執行情況
0	四條指令等待執行
1	從記憶體（memory）中讀取綠色指令
2	綠色指令被解碼 從主存儲器中讀取紫色指令
3	綠色指令被執行（事實上運算已經開始（performed）） 紫色指令被解碼 從主存儲器中讀取藍色指令
4	綠色指令的運算結果被寫回到寄存器（register）或者主存儲器 紫色指令被執行 藍色指令被解碼 從主存儲器中讀取紅色指令
5	綠色指令被執行完畢 紫色指令的運算結果被寫回到寄存器或者主存儲器 藍色指令被執行 紅色指令被解碼
6	紫色指令被執行完畢 藍色指令的運算結果被寫回到寄存器或者主存儲器 紅色指令被執行
7	藍色指令被執行完畢 紅色指令的運算結果被寫回到寄存器或者主存儲器
8	紅色指令被執行完畢
9	所有指令皆執行完畢

汽泡

 

一個氣泡在編號為3的時脈週期中，指令執行被延遲

主条目：氣泡 (電腦運算)

指令執行中產生一個“打嗝”（hiccup），在管線中生成一個沒有實效的氣泡。

如右圖，在編號為2的時脈週期中，紫色指令的讀取被延遲，並且在編號為3的時脈週期中解碼層也產生了一個氣泡。所有在紫色指令之後的指令都被延遲執行，而在其之前已經執行了的指令則不受影響。

由於氣泡使指令執行延遲了一個時脈週期，完成全部4條指令的執行共需要8個時脈週期。

而氣泡處對指令的讀取、解碼、執行與寫回都沒有實質影響。這可以使用nop代碼來完成。

複雜化

很多處理器的管線深度到5層、7層、10層，甚至31層（像是Intel Pentium 4 Prescott）。Xelerator X10q甚至有多于1000層的管線深度[1] （页面存档备份，存于互联网档案馆）。

微架構 （Microarchitecture）	管線層數 （Pipeline stages）
Sony Cell	23
IBM PowerPC 7	17
IBM Xenon	19
AMD Athlon	10
AMD Athlon XP	11
AMD Athlon 64	12
AMD Phenom	12
AMD Opteron	15
ARM7TDMI (-S)	3
ARM7EJ-S	5
ARM810	5
ARM9TDMI	5
ARM1020E	6
XScale PXA210/PXA250	7
ARM1136J (F)-S	8
ARM1156T2 (F)-S	9
ARM Cortex-A5	8
ARM Cortex-A8	13
AVR32 AP7	7
AVR32 UC3	3
DLX	5
Intel P5（Pentium）	5
Intel P6（Pentium Pro）	14
Intel P6（Pentium III）	10
Intel NetBurst（Willamette）	20
Intel NetBurst（Northwood）	20
Intel NetBurst（Prescott）	31
Intel NetBurst（Cedar Mill）	31
Intel Core	14
Intel Atom	16
LatticeMico32	6
R4000	8
StrongARM SA-110	5
SuperH SH2	5
SuperH SH2A	5
SuperH SH4	5
SuperH SH4A	7
UltraSPARC	9
UltraSPARC T1	6
UltraSPARC T2	8
WinChip	4
LC2200 32 bit	5

當程式出現分支將不利於過深管線，整條管線將會無效化。為了減輕此狀況，分支預測就變的重要。如果分支預測錯誤，也能夠藉由自行結束預測來避免加速惡化效率。在某些運用上，像是超級電腦運算，為了能夠將超長管線的運算優勢凸顯出來，會特地將程式寫的極少分支化來避免預測失敗，而且深度的管線化主要是為了能降低每個時脈執行的指令量而設計。當程式經常出現分支，把分支重新排序（像是將更為需要的指令提早放入管線中）而將明顯的降低損失的速度以避免將分支“沖垮”。像是gcov程式能夠使用一種覆蓋率檢查的技術檢查特定分支的執行頻率，但是這種檢查法經常是最佳化的最後手段。處理能力高的管線會因為很多分支的程式而降低效率，這是因為處理器不知道下一個要讀取的指令是甚麼，而需要等待完成分支指令而讓管線清空。處理完分支之後，下一個指令就要經過所有管線，直到整個指令集的結果出現，而處理器才會再繼續執行。而在極端的狀況下，管線化處理器的效能理論上可能會與未管線化處理器一致，甚至是每層管線都在待命狀態，而且指令經常在管線之中跑來跑去時的效能比較差一些。

由於指令管線化，處理器讀取機器碼時並不會立即執行。因為如此，在很接近的地方執行更新機器碼的動作就可能無法作用，因為這些機器碼已經進入預讀輸入隊列內。指令快取又會讓此現象更加惡化。不過這只會在能夠自我變更的程式出現此現象。

範例

範例一

一個典型的加法指令可能會寫成像ADD A, B, C，而中央處理器（CPU）會將記憶體（Memory）內A位置與B位置的數值相加後放到C位置。在管線化處理器內，管線控制器會將這個指令分拆成一連串微指令：

LOAD R1, A LOAD R2, B ADD R3, R1, R2 STORE R3, C LOAD next instruction 

R1, R2和R3是CPU內的暫存器（register是CPU裡面能夠快速存取的暫存記憶體）。主存儲器內標註為A位置和B位置之存儲單元中的數值被載入（或稱複製）到暫存器R1和R2中，然後送到加法器中相加，結果輸出到暫存器R3中，R3中的數值再被存儲到主存儲器內標註為C位置的存儲單元。

而且在非管線化的例子，開始驅動加法動作到完成的時間是不變的。

在這個範例中的管線分為3層：載入，執行，存儲。每一步被稱為管線層（或稱管線階段，pipeline stages）。

在非管線化處理器中，同一時間只允許一個層運作，所以必須等待指令執行完畢才能開始執行下一條指令。在管線化處理器中，所有的層能在同一時間處理不同的指令。當一條指令在執行層，另外一條指令在解碼層，第三條指令在讀取層。

管線沒有減少執行指令所花費的時間；它增加了在同一時間被處理的指令數量，並且減少了完成指令之間的延遲。隨着處理器中管線層的數量增加，能在同一時間被處理的指令數量也相應增加，也減少了指令等待處理所產生的延遲。現在生產的微處理器至少有2層管線。^{[來源請求]}（Atmel AVR與PIC微控制器都有2層管線）Intel Pentium 4處理器有20層管線。

範例二

以下表格具體列出3層管線理論：

管線層（Stage）	說明（Description）
讀取（Load）	從主存儲器中讀取指令
執行（Execute）	執行指令
存儲（Store）	將執行結果存儲到主存儲器和/或者暫存器

以組合語言表示將會被執行的指令列表：

 LOAD A, #40 ;讀取40載入A內 MOVE B, A ;將A內的数据移动到B內 ADD B, #20 ;將B內的數據與20相加 STORE 0x300, B ;將B內的數據儲存到地址為0x300的存儲器單元 

代碼的執行循序如下：

第1週期

讀取	執行	儲存
LOAD

從主存儲器中讀取LOAD指令。

第2週期

讀取	執行	儲存
MOVE	LOAD

LOAD指令被執行，同時從主存儲器中讀取MOVE指令。

第3週期

讀取	執行	儲存
ADD	MOVE	LOAD

LOAD指令在存儲層（Store stage），LOAD指令的執行結果#40（the number 40）將被存儲到暫存器A。同時，MOVE指令被執行。MOVE指令必須等待LOAD指令執行完畢才能將暫存器A中的內容移動到暫存器B中。

第4週期

讀取	執行	儲存
STORE	ADD	MOVE

STORE指令被載入，同時MOVE指令執行完畢，並且ADD指令被執行。

注意! 有時候，一個指令會依賴於其他指令的執行結構（例如以上的MOVE指令）。當一個指令因為操作數而需引用一個特定的位置，讀取（作為輸入）或者寫入（作為輸入），執行那些指令的循序不同於程序原本的執行循序能導致冒險（hazards）。現時有機種技術用於預防危害，或者繞過（working around）它們。

參見

• 等待狀態（英语：wait state）
• 傳統的RISC管線（英语：classic RISC pipeline）
• 管線
• 並行運算
• 延迟间隙

外部連結

• 來自ArsTechnica的管線化相關文章 （页面存档备份，存于互联网档案馆）