从4004到core i7：处理器的进化史（3）-4-第一次加速

在寻找最高时钟频率，即最小时钟周期间隔时，自然有：

现在加入流水线。为了将每个环节分割开来，我们需要在环节之间加入寄存器以隔离相邻的环节，获得独立的输入、输出。不妨假设在相邻环节之间插入只一个寄存器。其具有自己的时间约束t_c,q(寄存器从输入到输出的传输延时)和t_su(建立时间，这常常和具体的电路结构有关)。为了保证正确性，需要有：

由于我们将整个电路分割成了很多个很小的部分，因此max(t_pd)一般要远远小于t_pd,logic，也就是说，我们可以大大提升时钟频率，这与前面的叙述是一致的。

然而上面的t_c,q和t_su却给我们提了一个醒：

主频的提升并非没有代价，它实际上是以一条指令完整执行的时间(latency)的延长(它现在需要通过很多级寄存器了)来换取吞吐量(throughput，即单位时间内流经某一级的指令数量)的提升。

在指令流连续时，一切都很美好;但是一旦指令流中断(最典型的当然是branch)，引入pipeline的额外开销就显著地体现出来了。这里我再自己写一个公式：

T_sum=T_latency+N*T_min,pipe

其中T_sum是执行一段很长很长的指令流的总用时(第一条IF到最后一条WB)，N是指令数。这样，我们得到了一种衡量性能的方法：

t_avg=T_latency/N+T_min,pipe

不难想象，当N很小时，很长的pipleline带来的巨大的latency将会让平均指令执行时间t_avg变得很难看。

事实上还有一个限制主频疯狂提升的因素。记得吗，那就是我前面说过的功耗!

正因为以上的两个因素，intel虽然曾经将netburst的流水线做到了28级，频率提高到3.8GHz，甚至差一点就发布了4GHz的Pentium 4，却最终冷静了下来，不再通过越来越深的pipeline不顾一切地提升时钟频率了。

作为参照，core架构的流水线仅14级。

pipeline并不是万灵药，我们需要另外的加速方法。

说完了pipeline，你应该就能看懂这张386的图了：

Pipeline is everywhere!!