英文原文：A Journey Through the CPU Pipeline

作為程序員，CPU 在我們的工作中扮演了核心角色，因此了解處理器內(nèi)部的工作方式對(duì)程序員來(lái)說(shuō)不無(wú)裨益。

CPU 是如何工作的呢？一條指令執(zhí)行需要多長(zhǎng)時(shí)間？當(dāng)我們討論某個(gè)新款處理器擁有 12 級(jí)流水線還是 18 級(jí)流水線，甚至是更深的 31 級(jí)流水線時(shí)，這到些都意味著什么呢？

應(yīng)用程序通常會(huì)將 CPU 看作是黑盒子。程序中的指令按照順序依次進(jìn)入 CPU,執(zhí)行完之后再按順序依次從 CPU 中出來(lái)，而內(nèi)部到底發(fā)生了什么，我們通常并不了解。

對(duì)我們程序員來(lái)說(shuō)，尤其是對(duì)做程序性能調(diào)優(yōu)工作的程序員來(lái)說(shuō)，學(xué)習(xí) CPU 內(nèi)部的細(xì)節(jié)非常必要。否則，如果你不知道 CPU 的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，那如何才能針對(duì) CPU 做性能優(yōu)化？

本文所關(guān)注的就是專(zhuān)門(mén)針對(duì) X86 處理器流水線的工作原理。

你需要掌握的預(yù)備知識(shí)

首先，閱讀本文你需要了解編程，最好了解一點(diǎn)匯編語(yǔ)言。如果你還不知道指令指針（instruction pointer）是什么，那么本文對(duì)你來(lái)說(shuō)可能有些難。你需要知道什么是寄存器，指令和緩存，如果不明白它們是什么，你需要盡快查找資料了解一下。

第二，CPU 的工作原理是一個(gè)非常龐大和復(fù)雜的話題，本文僅僅是匆匆一瞥，很難以用一篇文章詳盡敘述。如果我有什么疏漏，請(qǐng)通過(guò)評(píng)論告訴我。

第三，我僅僅關(guān)注英特爾處理器及其 X86 架構(gòu)。當(dāng)然除了 X86,還有很多其他架構(gòu)的處理器。雖然 AMD 公司引入了很多新特性到 X86 架構(gòu)，但是 X86 架構(gòu)是 Intel 公司發(fā)明，并且創(chuàng)造了 X86 指令集，其中絕大多數(shù)特性是由 Intel 引入的。所以為了保持?jǐn)⑹龅暮?jiǎn)單和一致性，我僅關(guān)注 Intel 的處理器。

最后，當(dāng)你讀到這篇文章時(shí)，它已經(jīng)是“過(guò)時(shí)”的了。更新款的處理器已經(jīng)設(shè)計(jì)出來(lái)，其中一些會(huì)在未來(lái)幾個(gè)月之內(nèi)發(fā)布。我很高興技術(shù)能如此快速的發(fā)展，我希望有一天所有這些技術(shù)都會(huì)過(guò)時(shí)，創(chuàng)造出擁有更驚人計(jì)算能力的 CPU.

處理器流水線基礎(chǔ)

從一個(gè)非常廣的角度來(lái)說(shuō)，X86 處理器架構(gòu)在近 35 年來(lái)并沒(méi)有變化太多。雖然 X86 架構(gòu)被附加了很多新功能，但是最初的設(shè)計(jì)（包括幾乎所有最初的指令集）仍然基本上是完整保留的，即使在最新的處理器上仍然被支持。

最初的 8086 處理器支持 14 個(gè)寄存器，這些寄存器在如今最新的處理器中仍然存在。這 14 個(gè)寄存器中，有 4 個(gè)是通用寄存器：AX,BX,CX 和 DX;有 4 個(gè)是段寄存器，段寄存器用來(lái)輔助指針的實(shí)現(xiàn)：代碼段（CS），數(shù)據(jù)段（DS），擴(kuò)展段（ES）和堆棧段（SS）；有 4 個(gè)是索引寄存器，用來(lái)指向內(nèi)存地址：源引用（SI），目的引用（DI），基指針（BP），棧指針（SP）；有 1 個(gè)寄存器包含狀態(tài)位；最后是最重要的寄存器：指令指針（IP）。