流水线技术当代计算机为什么要采用流水线技术和cache存储技术

流水线的计算机

计算机流水线是Intel首次在486芯片中开始使用的。

流水线的工作方式就象工业生产上的装配流水线。

在CPU中由5—6个不同功能的电路单元组成一条指令处理流水线，然后将一条X86指令分成5—6步后再由这些电路单元分别执行，这样就能实现在一个CPU时钟周期完成一条指令，因此提高CPU的运算速度。

经典奔腾每条整数流水线都分为四级流水，即指令预取、译码、执行、写回结果，浮点流水又分为八级流水。

计算机流水线（Pipeline）技术是广泛应用于微处理芯片（CPU）中的一项关键技术，计算机流水线技术指的是对CPU内部的各条指令的执行方式的一种形容，要了解它，就必须先了解指令及其执行过程。

1、计算机指令 计算机指令，就是告诉CPU要做什么事的一组特定的二进制集合。

如果我们将CPU比喻成一个加工厂，那么，一条指令就好比一张订单，它引发了CPU_加工厂的一系列动作，最后分别得到了运算结果和产品。

那么，它们到底是怎样工作的呢？首先，要有一个接收订单的部门——CPU的取指令机构；其次，还要有完成订单的车间——CPU的执行指令机构。

在工厂中，一张订单上的产品被分成了许多道工序，而指令亦在CPU中转换成了许多条对应的微操作，依次完成它们，就执行完了整条指令。

2、执行指令 在低档的CPU中，指令的执行是串行的，简单地说，就是执行完了一条指令后、再执行下一条指令，好比我们上面提到的那个加工厂在创业之初，只有一间小车间及孤军奋战的老板，那么，当他接到一张订单之后，他必然忙于完成第1张订单，而没有能力去接第2张订单。

这样接订单→完成订单→接订单→……取指令→执行指令→取指令→……是一个串行的过程。

后来，老板发现接受订单不费太多时间，而且他还有了一个帮工，他们可以相互独立地工作，这样，老板就在完成上张订单产品的同时，接受下一张订单的订货。

这表现在CPU上就是取指令机构与执行指令机构的分开，这样从CPU整体来看，CPU在执行上条指令的同时，又在并行地取下条指令。

这在CPU技术上是一个质的飞跃，它使得CPU从串行工作变为并行工作，从而具有了流水线的雏型。

CPU在完成了上面这一步之后，剩下的就是如何提高并行处理能力的问题了，CPU的设计者们从加工厂的装配线得到启发，将一条指令的执行分解成了许多各不相同的多个工序_微指令，从而极大地简化了指令的复杂度，简化了逻辑设计，提高了速度。

在具有流水线技术的CPU中，上条指令刚执行完第一道“工序”，马上第二条指令就加入了流水线中，开始执行。

很明显，这种流水线技术要求有多个执行单元，这在X86芯片中均得到了实现。

通过上面的介绍，我们已经了解到什么是流水线技术，这虽不是一种创新，但在技术的实现上则是一大难关，是CPU设计者对计算机发展的一大贡献。

那么，P6芯片的超流水线又是怎么回事呢？ 3、P6的超流水线简介 超流水线（Super Pipeline）在本质上仍为一种流水线技术，但它做了以下的改进。

A．流水线条数从奔腾的两条增至三条，还有十一个独立的执行单元并行支持。

B．在执行中采取了无序执行（out－of－orderprocessing）技术。

即当某条指令需要一些数据而未能立即执行完毕时，它将被剔出流水线并等待数据，CPU则马上执行下条指令，就好比在装配线上发现某件产品不太合格，而被淘汰，等待返工一个道理。

这样，可以防止一条指令不能执行而影响了整个流水线的效率。

C．在P6中将指令划分成了更细的阶段，从而使逻辑设计、工序等等更为简化，提高了速度。

在486芯片中，一条指令一般被划分为五个标准的部分，奔腾亦是如此。

而在P6中，由于采用了近似于RISC的技术，一条指令被划分成了创纪录的十四个阶段。

这极大地提高了流水线的速度。

什么叫做流水线？

流水线 流水线与生产线 流水线 一、流水线技术的由来： 从前在英格兰北部的一个小镇里，有一个名叫艾薇的人开的鱼和油煎土豆片商店。

在店里面，每位顾客需要排队才能点他（她）要的食物（比如油炸鳕鱼，油煎土豆片，豌豆糊，和一杯茶）。

然后每个顾客等着盘子装满后坐下来进餐。

艾薇店里的油煎土豆片是小镇中最好的，在每个集市日中午的时候，长长的队伍都会排出商店。

所以当隔壁的木器店关门的时候，艾薇就把它租了. 他们没办法再另外增加服务台了；艾薇的鳕鱼和伯特的油煎土豆片是店里面的主要卖点。

但是后来他们想出了一个聪明的办法。

他们把柜台加长，艾薇，伯特，狄俄尼索斯和玛丽站成一排。

顾客进来的时候，艾薇先给他们一个盛着鱼的盘子，然后伯特给加上油煎土豆片，狄俄尼索斯再给盛上豌豆糊，最后玛丽倒茶并收钱。

顾客们不停的走动；当一个顾客拿到豌豆糊的同时，他后面的已经拿到了油煎土豆片，再后面的一个已经拿到了鱼。

一些穷苦的村民不吃豌豆糊-但这没关系，这些顾客也能从狄俄尼索斯那里得个笑脸。

这样一来队伍变短了，不久以后，他们买下了对面的商店又增加了更多的餐位。

这就是流水线。

将那些具有重复性的工作分割成几个串行部分，使得工作能在工人们中间移动，每个熟练工人只需要依次的将他的那部分工作做好就可以了。

虽然每个顾客等待服务的总时间没变，但是却有四个顾客能同时接受服务，这样在集市日的午餐时段里能够照顾过来的顾客数增加了三倍。

二、流水线定义：后道包装流水线 </b> 流水线是在一定的线路上连续输送货物搬运机械，又称输送线或者输送机。

按照输送系列产品大体可以分为：皮带流水线、板链线、倍数链线、插件线、网带线、悬挂线及滚筒流水线这七类流水线。

一般包括牵引件、承载构件、驱动装置、张紧装置、改向装置和支承件等。

输送机可进行水平、倾斜和垂直输送，也可组成空间输送线路，输送线路一般是固定的。

流水线输送能力大，运距长，还可在输送过程中同时完成若干工艺操作，所以应用十分广泛。

三、流水线的具体操作说明： 1、电器操作简要：流水线的电源需要三相四线，外面装有总开关一个，（可用三相四线四极开关，也可用开关只控制三相电源，零线直接，注意切不可将第二种接法的零线也经过另外一个开关）。

配电箱的N接零线，A, B, C接电源的三相电源，U, V, W接电动机，3，4接调速电机的F1, F2。

5，6，7接调速电机的u，v，w。

2、启动电动机的方法：先接通电源，此时三盏电源指示灯全部都会亮，证明三相电源已经到配电箱。

此时可以按一下电机开的蓝色按钮，就可启动电机，假如不能启动，可以打开配电箱门，看一下第一排的第二个DZ108开关，是否是红的长，蓝的短。

如果不是将此蓝色的压下去就可。

电动机启动后，然后打开流水线调速表的开关，再将调速表的电位器慢慢向上调，使转速表达到想要的速度。

关机时先将调速表的电位器慢慢向下调到零，然后关闭调速表的开关，再按一下电机关的红色按钮，就可停止电机。

最后将总开关关闭。

3、日光灯启动按一下照明的蓝色按钮，就可启动日光灯，再按一下照明的红色关的红色按钮，就可停止日光灯。

假如日光灯不亮，请检查日光灯支架上的平开关是否打开处于1的位置。

最后检查第一排第三个，第四个DZ47是否处于打开位置。

四、流水线各种配件维修及保养方法： 1、机头电机的维修及保养方法：切不可将电机进水，也不能在电机上加柴油及液体有机化合物，因为这样肯能导致电机的绝缘损坏而出现故障。

调速头的保养方法同电机。

其余查考电工手册的电机保养及维护。

2、链条的维修及保养方法：链条在长期的运转后可能导致原来的润滑油发热挥发，而导致链条在运行过程中不平衡，噪声增大，爬行等。

此时可打开机尾的封板，向链条加上黄油或浓一点的润滑油等。

3、流水线机头减速箱的维修及保养方法：第一次使用在三个月左右将减速箱里的机油放净，用柴油或汽油将减速箱里面清洗一下，放净后将新的润滑油加至观察窗的中间即刻。

（每一个月要注意润滑是否太少）。

以后每年将润滑油换一遍就可以了。

润滑油太多可能引发减速箱发热，电机负荷过大导致电机保护开关跳开。

润滑油太少可能引发减速箱发热，噪声增大及减速箱绞死而报废。

五、计算机流水线： [编辑本段] 计算机流水线是Intel首次在486芯片中开始使用的。

流水线的工作方式就象工业生产上的装配流水线[2]。

在CPU中由5—6个不同功能的电路单元组成一条指令处理流水线，然后将一条X86指令分成5—6步后再由这些电路单元分别执行，这样就能实现在一个CPU时钟周期完成一条指令，因此提高CPU的运算速度。

经典奔腾每条整数流水线都分为四级流水，即指令预取、译码、执行、写回结果，浮点流水又分为八级流水。

计算机流水线（Pipeline）技术是目前广泛应用于微处理芯片（CPU）中的一项关键技术，计算机流水线技术指的是对CPU内部的各条指令的执行方式的一种形容，要了解它，就必须先了解指令及其执行过程。

1、计算机指令及其执行过程 计算机指令，就是告诉CPU要做什么事的一组特定的二进制集合。

如果我们将CPU比喻成一个加工厂，那么，一条指令就好比一张订单，它引发了CPU_加工厂的一系列动作，最后分别得到了运算结果和产品。

那么，它们到底是怎样工作的呢？首先，要有一个接收订单的部门——CPU的取指令机构；其次，还要有完成订单的车间——CPU的执行指令机构。

在工厂中，一张订单上的产品被分成了许多道工序，而指令亦在CPU中转换成了许多条对应的微操作，依次完成它们，就执行完了整条指令。

2、执行指令的方式及流水线技术 在低档的CPU中，指令的执行是串行的，简单地说，就是执行完了一条指令后、再执行下一条指令，好比我们上面提到的那个加工厂在创业之初，只有一间小车间及孤军奋战的老板，那么，当他接到一张订单之后，他必然忙于完成第1张订单，而没有能力去接第2张订单。

这样接订单→完成订单→接订单→……取指令→执行指令→取指令→……是一个串行的过程。

后来，老板发现接受订单不费太多时间，而且他还有了一个帮工，他们可以相互独立地工作，这样，老板就在完成上张订单产品的同时，接受下一张订单的订货。

这表现在CPU上就是取指令机构与执行指令机构的分开，这样从CPU整体来看，CPU在执行上条指令的同时，又在并行地取下条指令。

这在CPU技术上是一个质的飞跃，它使得CPU从串行工作变为并行工作，从而具有了流水线的雏型。

CPU在完成了上面这一步之后，剩下的就是如何提高并行处理能力的问题了，CPU的设计者们从加工厂的装配线得到启发，将一条指令的执行分解成了许多各不相同的多个工序＿微指令，从而极大地简化了指令的复杂度，简化了逻辑设计，提高了速度。

在具有流水线技术的CPU中，上条指令刚执行完第一道“工序”，马上第二条指令就加入了流水线中，开始执行。

很明显，这种流水线技术要求有多个执行单元，这在X86芯片中均得到了实现。

通过上面的介绍，我们已经了解到什么是流水线技术，这虽不是一种创新，但在技术的实现上则是一大难关，是CPU设计者对计算机发展的一大贡献。

那么，P6芯片的超流水线又是怎么回事呢？ 3、P6的超流水线简介 超流水线（Super Pipeline）在本质上仍为一种流水线技术，但它做了以下的改进。

A．流水线条数从奔腾的两条增至三条，还有十一个独立的执行单元并行支持。

B．在执行中采取了无序执行（out－of－orderprocessing）技术。

即当某条指令需要一些数据而未能立即执行完毕时，它将被剔出流水线并等待数据，CPU则马上执行下条指令，就好比在装配线上发现某件产品不太合格，而被淘汰，等待返工一个道理。

这样，可以防止一条指令不能执行而影响了整个流水线的效率。

C．在P6中将指令划分成了更细的阶段，从而使逻辑设计、工序等等更为简化，提高了速度。

在486芯片中，一条指令一般被划分为五个标准的部分，奔腾亦是如此。

而在P6中，由于采用了近似于RISC的技术，一条指令被划分成了创纪录的十四个阶段。

这极大地提高了流水线的速度。

那么，P6的超流水线技术是否将流水线工艺发挥到了极限呢？还远远未到，在P7中也许我们将看到全新的设计。

流水线与生产线的区别：流水线是指一个生产车间在一条流水线机上完成操作流程。

而生产线是指工厂的整体生产流程。

比如从接单，开始设计到大量生产。

这是生产流程。

六、流水线优化 流水线在工业生产中扮演着重要的角色，优化流水线直接关系着产品的质量和生产的效率，因此成为企业不得不关注的话题。

1、优化流水线第一站的作业时间, 及多久放一片板子, 此为满足生产计划量所必须的投入cycle时间。

但在实际上, 瓶颈站的作业时间必然大于第一站, 第一站一定不是瓶颈站, 所以第一站不一定会完全依要求的cycle时间去投入, 因为瓶颈站已脱拖慢他的速度, 故管理的角度来看, 要确实要求第一站作业者依规定速度投入。

流水线的输送带速度也可反推算出日产量, 下面为输送带速度的公式： 输送带的pitch时间 = 整日的上班时间/日产量*(1+不良率) 输送带的速度 = 记号间隔距离 /输送带的pitch时间 所谓记号间隔距离, 在流水线的皮带上所做的记号间的距离, 希望作业者依记号流经的速度完成作业并放置在皮带线上; 但炼条线并没有做记号, 就以板子的长度当做记号间隔距离。

为何要用输送带? 除了运送物品外, 还有半强制作业者依计划完成作业的功能, 但不是一味地加快去试试看, 而应依上述公式去计算求得。

2、观察流水线上哪一站是瓶颈站： (1)永远忙个不停的站； (2)老是将板子往后拉的站； (3)从该站开始, 原本一片接着一片的板子, 中间出现了间隔。

上面三点是目视就可察觉的, 再来就是用秒表量, 作业时间是所有站中最长的。

瓶颈站的作业时间就变成了整条流水线实际产出的cycle时间, 而日产量公式如下: 日产量 = 实整日的上班时间/际cycle时间 故现场干部只要减少其作业时间, 就可明显提升产量, 如将零件拿一些给别站做、使用治工具以节省动作、改善作业域的配置等等。

但在解决瓶颈站后, 可能会出现新的瓶颈站, 所以又要对此新的瓶颈站进行改善, 因此持续盯着瓶颈站改善, 整条流水线的效率就会日日提升。

3、观察流水线最后一站收板子的cycle时间, 也就是实际产出的cycle时间, 这站的cycle时间必相等于瓶颈站。

从这站可推算出这条流水线线的效率如何, 公式如下: 效率 = 投入cycle时间/实际cycle时间 = 第一站的作业时间/最后一站的作业时间 当然也可用瓶颈站的作业时间来算, 不过观察最后一站总是较简单、实际。

在流水线上的在制品数量就等于: ( 最后一站的作业时间 - 第一站的作业时间 ) * （整日的上班时间/最后一站的作业时间） 4、稼动率的观察 稼动率 = 在作业的时间 / 整日的上班时间 所谓稼动就是流水线上有效的工作, 作业者坐在位子上并不表示他有在工作, 有在工作才能做出产品来, 所以要观察作业者在作业的时间。

但在实际上, 不可能全天对每个作业者进行测量, 所以有种工作抽查的手法来仿真测量, 其实说穿了就是不时去看作业者在做什么。

5、流水线作业者坐在位子上并不表示他有认真在工作, 所以最后就是观察每一个作业者的作业速度, 速度是一个很抽象的概念, 光从目视很难来比较跟量化, 所以在心里建立起一个标准速度, 快过它就算好, 动作精简、固定而有节奏地进行, 往往有较好的作业速度, 反之不佳, 如此来观察就比较简单。

流水线作业不过不是快就是好, 其动作必须是有附加价值的, 所以还要看其动作是否简单扼要, 所以要求动作经济原则的观念, 简单地说, 人类手部的动作可分为移动、握取、放开、前置、组立、使用、分解, 还有一种心理的精神作用, 其中严格来说只有两种动作有附加价值: 组立、使用, 所以在能满足生产要求的条件下, 尽量排除或简化其它的动作。

其原则如下: 1、移动: 使物料自动到达所要的位置、缩短移动距离、减少需移动物品的重量、移动路径周围避免有东西会妨碍移动、让料盒斜置以缩短绕过边缘的距离等。

2、握取: 料盒里的物料尽可能整齐排放, 不要杂乱堆积、不方便拿取的东西能先预留握取的空间等。

3、前置: 同握取一样, 料盒里的物料尽可整齐排放, 不要杂乱堆积等。

4、组立: 以治工具代替手作业等。

5、使用: 使机械全自动化等。

6、精神作用: 利用机械取代人为判断、减少作业者目光的移动等。

[编辑本段]流水线各种配件维修及保养方法： 1、机头电机的维修及保养方法：切不可将电机进水，也不能在电机上加柴油及液体有机化合物，因为这样肯能导致电机的绝缘损坏而出现故障。

调速头的保养方法同电机。

其余查考电工手册的电机保养及维护。

2、链条的维修及保养方法：链条在长期的运转后可能导致原来的润滑油发热挥发，而导致链条在运行过程中不平衡，噪声增大，爬行等。

此时可打开机尾的封板，向链条加上黄油或浓一点的润滑油等。

3、流水线机头减速箱的维修及保养方法：第一次使用在三个月左右将减速箱里的机油放净，用柴油或汽油将减速箱里面清洗一下，放净后将新的润滑油加至观察窗的中间即刻。

（每一个月要注意润滑是否太少）。

以后每年将润滑油换一遍就可以了。

润滑油太多可能引发减速箱发热，电机负荷过大导致电机保护开关跳开。

润滑油太少可能引发减速箱发热，噪声增大及减速箱绞死而报废。

[编辑本段]流水线安装注意事项 流水线[1]的平面设计应当保证零件的运输路线最短，生产工人操作方便，辅助服务部门工作便利，最有效地利用生产面积，并考虑流水线安装之间的相互衔接。

为满足这些要求，在流水线平面布置时应考虑流水线的形式、流水线安装工作地的排列方法等问题。

流水线安装时工作地的排列要符合工艺路线，当工序具有两个以上工作地时，要考虑同一工序工作地的排列方法。

一般当有两个或两个以上偶数个同类工作地时，要考虑采用双列布置，将它们分列在运输路线的两例。

但当一个工人看管多台设备时，要考虑使工人移动的距离尽可能短。

流水线安装的位置涉及到各条流水线间的相互关系，要根据加工部件装配所要求的顺序排列，整体布置要认真考虑物料流向问题，从而缩短路线，减少运输工作量。

总之，要注意合理地、科学地进行流水生产过程空间组织。

当代计算机为什么要采用流水线技术和cache存储技术

总的来说，目的都是一个，充分利用计算资源，即充分利用cpu，防止其闲置 效果都是使计算机更快，计算能力更强 那么，我们首先要定位到有哪些计算资源是被浪费掉的。

1.对于cpu内部，假设一条指令要经过 取指令，解码指令，执行指令，存储访问，写回数据 五个步骤完成，且每个步骤都有对应的部件。

没有流水线技术的情况下，当cpu执行一条指令时，你会发现只有一个部件在运行，其余四个都闲着——这些资源都被闲置了。

于是流水线技术横空出世了，让这些闲置的部件都运作了起来。

具体技术细节课本上有，我就不赘述了。

2.如果所有程序都只是加减乘除逻辑运算，那么计算机会很快解决，但是，一旦涉及存储器访问就会出现麻烦（比如指令中的操作数在存储器中），因为从内存读数据很慢（相对于cpu正常工作速度），得不到数据cpu只能闲置着。

而cache存储技术就是为了解决这个问题（cpu速度与存储器存取速度不匹配）而出现的。

小而快速的cache能对cpu的数据要求做出快速应答，使cpu不再受等待数据（数据饥饿）的困扰。

技术延拓 技术的出发点比较纯粹，而后来许多更复杂的流水线技术已经不再满足于解决资源利用问题，他们只有一个目的: 让cpu更快！ 于是各种流水线的“奇技淫巧”（指令级的并行，超标量，超流水等）就出现了～ cache方面出现了预取，非阻塞，流水cache等技术 在基础原理熟练掌握的前提下，再去看看这些进一步的优化吧，否则一头雾水。

（以上回答仅为个人看法，如有错误希望您能批评指正）