简要说明cpu流水线的优点与缺点，CPU流水线优缺点

很多朋友对简要说明cpu流水线的优点与缺点，CPU流水线优缺点不是很了解，每日小编刚好整理了这方面的知识，今天就来带大家一探究竟。

为什么有些CPU主频较低，但运行效率较高？比如51单片机的主频是30M，STM32单片机的主频是20M。对于主频较低的STM32来说，执行同一段代码可能需要更短的时间。这就涉及到CPU流水线的问题，本文围绕CPU流水线描述相关内容。1、早期CPU流水线1。装配线的概念来自工业制造领域。以汽车装配为例说明装配线的工作模式，假设装配一辆汽车需要四个步骤：

1.冲压：制作车身外壳、底盘等零件；2.焊接：将冲压后的零件焊接成车身；3.喷漆：车身等主要部件的清洗、化学处理、抛光、喷漆、烘干；4.总装：将所有零件(包括发动机和从外部购买的零件)组装成车辆；

汽车装配需要四个工人：冲压、焊接、喷漆和总装。最简单的方法是，依次完成上述四个步骤后，组装一辆汽车，再组装下一辆汽车。这种原始的方式是在最早的工业制造中采用的，即同一时间只装配一辆汽车。

不久后发现一辆车正在组装，另外三名工人闲置，显然是极大的资源浪费。于是想出了一个有效利用资源的新方法，就是当第一辆车冲压后进入焊接工序，第二辆车的冲压马上开始，而不是等到第一辆车走完了全部四道工序，这样就可以保证四个工人在后续的生产中始终处于运转状态，人员也不会闲着。

这种生产方式就像源源不断的水，所以叫流水线。

2.CPU流水线1989年推出的i486处理器引入了五级流水线。这时，CPU中不再只有一条指令在运行，流水线的每一级都在同时运行不同的指令。这种设计使得i486的性能是同频率的386处理器的两倍以上。在五级流水线的取指令阶段从指令缓存中取出指令(i486中的指令缓存为8kb)；第二阶段是解码阶段，将取出的指令翻译成具体的功能操作；

第三阶段是地址传输阶段，用于转换内存地址和偏移量；第四阶段是执行阶段，指令实际执行操作；第五阶段是退出阶段，操作的结果被写回寄存器或存储器。因为处理器同时运行多条指令，所以程序的性能大大提高。2、CPU流水线技术

CPU流水线技术是将指令分解成多个步骤，使不同指令的操作重叠，从而实现多条指令并行处理，加速程序运行进程的技术。指令的每一步都有自己独立的电路来处理。每一步完成，就进入下一步，前一步处理后面的指令。

采用流水线技术后，不加速单个指令的执行，也不缺少每个指令的操作步骤，而是同时执行多个指令的不同操作步骤，从而加快了指令流，整体上缩短了程序执行时间。流水线技术是通过增加计算机硬件来实现的。它要求各功能段能够相互独立工作，这样会增加硬件，相应增加控制的复杂度。如果没有独立运作的部分，各种冲突都有可能发生。

例如，为了预取指令，需要增加指令的硬件电路，并将取出的指令存储在指令队列缓冲区中，使微处理器可以同时取出指令、分析和执行指令。——来自百度百科

3、管道和代码执行效果

为什么STM32的执行效率比主频的51单片机低？除了大家认为的8位和32位宽的区别，还有一个就是51单片机不支持流水线(也可以理解为单流水线)，而STM32支持流水线。Cortex‐M3处理器使用3级流水线。管道的三个阶段是：获取、解码和执行，如下图所示。通过单级流水线和多级流水线的比较，可以更好的理解为什么51单片机的执行效率低。

多级管道的优缺点

管道技术并不是在所有情况下都有效。可能会有一些不足。如果一条指令流水线能在每个时钟周期接受一条新指令，则称之为全流水线。因为流水线中的指令需要延迟，要等待几个时钟周期，所以称为不完全流水线。当程序员(或汇编程序/编译器)编写汇编代码(或汇编代码)时，他们假设每条指令都是顺序运行的。而这种假设会使流水线失效。

当这种情况发生时，程序就会表现异常，这种现象就是危害。但是，目前有几种技术可以解决这些危害，比如转发和延迟。1.优势

它减少了处理器执行指令所需的时钟周期，总体上提高了指令的发布率。有些集成电路，如加法器或乘法器，通过增加更多的环路工作得更快，如果用流水线代替，环路可以相对减少。2.缺点流水线处理器设计复杂度较高，生产成本较高；流水线处理器必须在数据路径中增加额外的触发器。

非流水线处理器具有固定的指令位宽，因此流水线处理器的性能更难预测，不同程序之间的变化可能更大。审计彭静

以上知识分享希望能够帮助到大家！