4.4 流水线的通用原理

在试图设计一个流水线化的 Y86-64 处理器之前，让我们先来看看流水线化的系统的一些通用属性和原理。对于曾经在自助餐厅的服务线上工作过或者开车通过自动汽车清洗线的人，都会非常熟悉这种系统。在流水线化的系统中，待执行的任务被划分成了若干个独立的阶段。在自助餐厅，这些阶段包括提供沙拉、主菜、甜点以及饮料。在汽车清洗中，这些阶段包括喷水和打肥皂、擦洗、上蜡和烘干。通常都会允许多个顾客同时经过系统，而不是要等到一个用户完成了所有从头至尾的过程才让下一个开始。在一个典型的自助餐厅流水线上，顾客按照相同的顺序经过各个阶段，即使他们并不需要某些菜。在汽车清洗的情况中，当前面一辆汽车从喷水阶段进入擦洗阶段时，下一辆就可以进入喷水阶段了。通常，汽车必须以相同的速度通过这个系统，避免撞车。

流水线化的一个重要特性就是提高了系统的吞吐量（throughput），也就是单位时间内服务的顾客总数，不过它也会轻微地增加延迟（latency），也就是服务一个用户所需要的时间。例如，自助餐厅里的一个只需要甜点的顾客，能很快通过一个非流水线化的系统，只在甜点阶段停留。但是在流水线化的系统中，这个顾客如果试图直接去甜点阶段就有可能招致其他顾客的愤怒了。