1989年推出的i486處理器引入了五級流水線。這時，在CPU中不再僅運行一條指令，每一級流水線在同一時刻都運行著不同的指令。這個設(shè)計使得i486比同頻率的386處理器性能提升了不止一倍。五級流水線中的取指階段將指令從指令緩存中取出（i486中的指令緩存為8KB）；第二級為譯碼階段，將取出的指令翻譯為具體的功能操作；第三級為轉(zhuǎn)址階段，用來將內(nèi)存地址和偏移進行轉(zhuǎn)換；第四級為執(zhí)行階段，指令在該階段真正執(zhí)行運算；第五級為退出階段，運算的結(jié)果被寫回寄存器或者內(nèi)存。由于處理器同時運行了多條指令，大大提升了程序運行的性能。

處理器一般由如下功能單元組成：

取指單元

譯碼單元

執(zhí)行單元

Load/store單元（load用于從內(nèi)存中取數(shù)據(jù)，而STORE用于存數(shù)據(jù)到內(nèi)存）

例外/中斷單元

電源管理單元

流水線通常由取指、譯碼、執(zhí)行及Load/Store等單元組成。各單元按圖所示的幾個步驟循環(huán)重復(fù)自身工作。

流水線的含義：

與工廠生產(chǎn)線類似，將一件工作分成若干個固定的工序進行。

cpu流水線技術(shù)是一種將指令分解為多步，并讓不同指令的各步操作重疊，從而實現(xiàn)幾條指令并行處理，以加速程序運行過程的技術(shù)。指令的每步有各自獨立的電路來處理，每完成一步，就進到下一步，而前一步則處理后續(xù)指令。（原理和生產(chǎn)流水線一樣）

CPU指令流水線

根據(jù)之前描述的基礎(chǔ)，指令進入流水線，通過流水線處理，從流水線出來的過程，對于我們程序員來說，是比較直觀的。

I486擁有五級流水線。分別是：取指(Fetch)，譯碼(D1, main decode)，轉(zhuǎn)址(D2, translate)，執(zhí)行(EX, execute)，寫回(WB)。某個指令可以在流水線的任何一級。

但是這樣的流水線有一個明顯的缺陷。對于下面的指令代碼，它們的功能是將兩個變量的內(nèi)容進行交換。

從8086直到386處理器都沒有流水線。處理器一次只能執(zhí)行一條指令。再這樣的架構(gòu)下，上面的代碼執(zhí)行并不會存在問題。

但是i486處理器是首個擁有流水線的x86處理器，它執(zhí)行上面的代碼會發(fā)生什么呢？當你一下去觀察很多指令在流水線中運行，你會覺得混亂，所以你需要回頭參考上面的圖。

1、第一步是第一條指令進入取指階段；

2、然后在第二步第一條指令進入譯碼階段，同時第二條指令進入取指階段；

3、第三步第一條指令進入轉(zhuǎn)址階段，第二條指令進入譯碼階段，第三條指令進入取指階段。

4、但是在第四步會出現(xiàn)問題，第一條指令會進入執(zhí)行階段，而其他指令卻不能繼續(xù)向前移動。

5、第二條xor指令需要第一條xor指令計算的結(jié)果a，但是直到第一條指令執(zhí)行完成才會寫回。

所以流水線的其他指令就會在當前流水級等待直到第一條指令的執(zhí)行和寫回階段完成。第二條指令會等待第一條指令完成才能進入流水線下一級，同樣第三條指令也要等待第二條指令完成。

這個現(xiàn)象被稱為流水線阻塞或者流水線氣泡。

常用概念：

1、流水線級數(shù)：流水線的節(jié)拍數(shù)。

2、吞吐率：單位時間內(nèi)流水線能處理的任務(wù)數(shù)量。

3、最大吞吐率：流水線達到不間斷流水的穩(wěn)定狀態(tài)后可獲得的吞吐率。

4、加速比：流水方式的工作速度與等效的順序工作方式時間的比值。

流水線指標：

1、流水技術(shù)無助于減少單個任務(wù)的處理延遲(latency)，但有助于提高整體工作負載的吞吐率

2、多個不同任務(wù)同時操作, 使用不同資源

3、潛在加速比= 流水線級數(shù)

4、流水線的速率受限于最慢的流水段

5、流水段的執(zhí)行時間如果不均衡,那么加速比就會降低

6、開始填充流水線的時間和最后排放流水線的時間降低加速比

低功耗嵌入式領(lǐng)域的ARM7就是采用3級流水線結(jié)構(gòu)。

超流水

超流水線技術(shù)是通過細化的流水，提高主頻。使得機器在一個周期內(nèi)完成一個甚至多個操作，其實質(zhì)是用空間換取時間。

超流水處理器是相對于基準處理器而言的，一般cpu的流水線是基本的指令預(yù)取,譯碼,執(zhí)行和寫回結(jié)果四級。超流水線（superpiplined）是指某型CPU內(nèi)部的流水線超過通常的5~6步以上，例如Pentium pro的流水線就長達14步。將流水線設(shè)計的步（級）數(shù)越多，其完成一條指令的速度越快，因此才能適應(yīng)工作主頻更高的CPU。這一點我們可以用日常事例來說明，比如有5個人接力傳送木頭（對應(yīng)一個5級的流水線），超流水是說細化該流水過程，即由10個人接力（此時為10級流水），顯然完成全部任務(wù)的速度會快。相當于***的一句話：人多力量大（效率高）。

超標量

超標量是指在CPU中有一條以上的流水線，并且每時鐘周期內(nèi)可以完成一條以上的指令，這種設(shè)計就叫超標量技術(shù)。 其實質(zhì)是以空間換取時間。

CPU架構(gòu)是指在一顆處理器內(nèi)核中實行了指令級并行的一類并行運算。這種技術(shù)能夠在相同的CPU主頻下實現(xiàn)更高的CPU吞吐率（throughput）。