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流水线是一种指令级并行技术。
指令执行步骤
- 取指 IF （从内存中取出指令）
- 译码和取寄存器操作数 ID （把指令送到指令译码器进行译码，产生相应控制信号）
- 执行或者有效地址计算 EX （指挥并控制CPU、内存、I/O设备的之间的数据流动）
- 存储器访问 MEM
- 写回 WB
汇编指令不是一步可以执行完毕的，每个步骤涉及的硬件可能不同，所以可以使用流水线技术来执行指令。
可以看到，当第2条指令执行时，第1条指令只是完成了取值操作。假如每个步骤需要1毫秒，那么如果指令2等待指令1执行完再执行，就需要等待5毫秒。而使用流水线后，只需要等待1毫秒。
A = B + C 的执行过程
LW表示load，LW R1,B，把B的值加载到R1寄存器中。ADD是加法，把R1、R2的值相加，并存放到R3中。SW表示store存储，将R3寄存器的值保存到变量A中。
在ADD指令上的大叉表示一个中断，也就是在这里停顿了一下，因为R2中的数据还没准备好。由于ADD的延迟，后面的指令都要慢一个节拍。
停顿与重排序
再看复杂一点的情况
a = b + c
d = e + f
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可见上图中有不少停顿。为了减少停顿，我们只需要将LW Re,e和LW Rf,f移动到前面执行。
可见指令重排序对提高CPU性能十分必要，但是要遵循happens-before规则。