探秘X86架构CPU流水线

英文原文：A Journey Through the CPU Pipeline

作为程序员，CPU 在我们的工作中扮演了核心角色，因此了解处理器内部的工作方式对程序员来说不无裨益。

CPU 是如何工作的呢？一条指令执行需要多长时间？当我们讨论某个新款处理器拥有 12 级流水线还是 18 级流水线，甚至是更深的 31 级流水线时，这到些都意味着什么呢？

应用程序通常会将 CPU 看作是黑盒子。程序中的指令按照顺序依次进入 CPU,执行完之后再按顺序依次从 CPU 中出来，而内部到底发生了什么，我们通常并不了解。

对我们程序员来说，尤其是对做程序性能调优工作的程序员来说，学习 CPU 内部的细节非常必要。否则，如果你不知道 CPU 的内部结构，那如何才能针对 CPU 做性能优化？

本文所关注的就是专门针对 X86 处理器流水线的工作原理。

你需要掌握的预备知识

首先，阅读本文你需要了解编程，最好了解一点汇编语言。如果你还不知道指令指针（instruction pointer）是什么，那么本文对你来说可能有些难。你需要知道什么是寄存器，指令和缓存，如果不明白它们是什么，你需要尽快查找资料了解一下。

第二，CPU 的工作原理是一个非常庞大和复杂的话题，本文仅仅是匆匆一瞥，很难以用一篇文章详尽叙述。如果我有什么疏漏，请通过评论告诉我。

第三，我仅仅关注英特尔处理器及其 X86 架构。当然除了 X86,还有很多其他架构的处理器。虽然 AMD 公司引入了很多新特性到 X86 架构，但是 X86 架构是 Intel 公司发明，并且创造了 X86 指令集，其中绝大多数特性是由 Intel 引入的。所以为了保持叙述的简单和一致性，我仅关注 Intel 的处理器。

最后，当你读到这篇文章时，它已经是“过时”的了。更新款的处理器已经设计出来，其中一些会在未来几个月之内发布。我很高兴技术能如此快速的发展，我希望有一天所有这些技术都会过时，创造出拥有更惊人计算能力的 CPU.

处理器流水线基础

从一个非常广的角度来说，X86 处理器架构在近 35 年来并没有变化太多。虽然 X86 架构被附加了很多新功能，但是最初的设计（包括几乎所有最初的指令集）仍然基本上是完整保留的，即使在最新的处理器上仍然被支持。

最初的 8086 处理器支持 14 个寄存器，这些寄存器在如今最新的处理器中仍然存在。这 14 个寄存器中，有 4 个是通用寄存器：AX,BX,CX 和 DX;有 4 个是段寄存器，段寄存器用来辅助指针的实现：代码段（CS），数据段（DS），扩展段（ES）和堆栈段（SS）；有 4 个是索引寄存器，用来指向内存地址：源引用（SI），目的引用（DI），基指针（BP），栈指针（SP）；有 1 个寄存器包含状态位；最后是最重要的寄存器：指令指针（IP）。