2.7 流水线

指令是如何被执行的？微处理器的功能是什么？Tom Shanley在其名著《奔腾4大全》的第1章中给出了这两个问题的答案：“微处理器就是一个从内存中取指令并解码（Decode）和执行（Execute）的引擎”。

在计算机中，一条指令的执行可分为若干阶段。由于每个阶段的操作都是相对独立的，因此可以采用流水线的重叠技术来提高系统的性能。在流水线填充满后，多条指令可以并行执行，这样可以充分利用现有的硬件资源，提高微处理器的运行效率。

指令流水线的思想类似现代化工厂的生产流水线，如图2-21所示。在工厂的生产流水线上，把生产某产品的过程分解成若干工序，每个工序用同样的时间单位，在不同工位上完成各自工序的工作。这样就可以使单位时间内的成品流出率大大提高。

CM3处理器使用一个3级流水线，分别是取指令（Fetch）、解码（Decode）和执行（Execute），如图2-22所示。

当运行的指令大多是16位时，处理器会每隔一个周期进行一次取指令操作。这是因为CM3有时可以一次取出两条指令（一次能取32位），所以在取来第1条16位指令时，也把第2条16位指令取来了。此时，总线接口就可以先“歇”一个周期再取指令；如果缓冲区是满的，那么总线接口就空闲下来了。有些指令的执行需要多个周期，在此期间，流水线就会处于暂停状态。

当遇到分支指令时，译码阶段也包含取指令预测，这提高了执行的速度。处理器在译码阶段自行对分支目的地指令进行取指令操作。在稍后的执行过程中，处理完分支指令后，便知道下一条要执行的指令是什么。如果分支不跳转，那么紧跟着的下一条指令随时可供使用；如果分支跳转，那么在跳转的同时分支指令可供使用。空闲时间限制为一个周期。