指令管線化

指令管線化（Instruction pipeline）是為了讓電腦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。

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

<image>

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。

- 讀取指令
- 指令解碼與讀取暫存器
- 執行
- 記憶體存取
- 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

- 減少了處理器執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）。
- 一些積體電路（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

- 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）和串行指令被並行執行產生的問題。設計比較簡單和較低生產成本。
- 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）。
- 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

<image>

右圖是一般有4層管線的示意圖：

- 讀取指令（Fetch）
- 指令解碼（Decode）
- 執行指令（Execute）
- 寫回執行結果（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

<image>

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甚至有多於1000層的管線深度。

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。隨著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：

讀取｜執行｜儲存

LOAD

從主存儲器中讀取LOAD指令。

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。

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。

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。

## 外部連結

- 來自ArsTechnica的管線化相關文章