17 面向流水线的指令设计
单指令周期处理器
一个时钟周期内，处理器正好能处理一条指令。时钟周期是固定的，但指令的电路复杂程度是不同的，实际不同指令执行的时间是不同的。只好把时钟周期和执行时间最长的那个指令设成一样。
流水线设计
指令执行过程拆分成取指令、译码、执行三大步骤。更细分一点，执行过程还包含从寄存器或者内存中读取数据，通过 ALU 进行运算，把结果写回到寄存器或者内存中。
- 不用把时钟周期设置成整条指令执行的时间
- 每一个阶段的电路在完成对应的任务后，不需要等待整个指令执行完成，可以直接执行下一条指令的对应阶段
三级流水线：把一个指令拆分成 取指令 - 指令译码 - 执行指令 三个部分
五级流水线：把一个指令拆分成 取指令 - 指令译码 - ALU 计算（指令执行）- 内存访问 - 数据写回 五个部分
CPU 的主频提高，不需要确保最复杂的那条指令在时钟周期里面执行完成，只要保证最复杂的流水线级的操作，在一个时钟周期内完成
不能通过流水线减少单条指令执行的时长，但通过同时执行多条指令的不同阶段，提升了 CPU 的吞吐率
超长流水线的性能瓶颈
增加流水线深度，要多写入到流水线寄存器的操作次数，有性能成本。
冒险和分支预测
提升流水线深度
- 增加功耗，要保持和原来相同的性能需要提升时钟周期。
- 需要的电路数量变多，使用的晶体管也就变多。
- 指令之间互相依赖增多。
指令依赖
- 数据冒险
- 结构冒险
- 控制冒险
解决方案：乱序执行、分支预测