處理器內部有很多通用暫存器，這些暫存器用來儲存指令的運算元，它對程式設計師可見，如x86有8個通用暫存器，RISC處理器則更多，常有32個或64個等等。這一堆暫存器也被叫做Register file(暫存器堆)。

        在流水線設計中，為了確保不同流水線節拍不會相互影響，在每個階段引入了流水線暫存器來分隔各個流水線節拍：

流水線暫存器

      暫存器就像是紅燈，訊號只在固定的時間才會將左端節拍的值傳遞給右端節拍，這樣各個節拍的工作就不會出現紊亂。

        在組合語言中，ALU(算術邏輯單元)單元直接訪問通用暫存器進行運算，在硬體實現時，通用暫存器中的資料先被讀到流水線暫存器中，也即ALU的輸入暫存器中，ALU運算結束後，資料會儲存在ALU的輸出暫存器中，最後再送回到通用暫存器中。下圖為ALU、通用暫存器、ALU輸入輸出暫存器的結構圖：

ALU、ALU輸入輸出暫存器、暫存器堆的關係

       流水線暫存器是對程式設計師不可見的，ALU指令的執行節拍可以進一步細分為3個子節拍：

       1.       從暫存器堆中讀取暫存器的值

       2.       進行運算

       3.       將運算結果寫回到暫存器堆中

       根據這個分析，處理器的流水線可以進一步細分。MIPS處理器在設計時，將處理器的執行過程劃分為5個階段：

       在MIPS的5級流水線中，從暫存器堆中讀資料到ALU輸入暫存器這個步驟被放在了ID階段，將運算結果寫回到暫存器堆被作為一個獨立的階段。

       到目前為止，我們都認為資料已經存放在暫存器中，事實上，資料被存放在記憶體(Memory)中，在RISC處器中，資料要先從記憶體load(匯入)到暫存器中，然後再參與運算，然後將運算結果store(匯出)到儲存器中去。因此，MIPS的5級流水線增加了一個MEM階段。

        對於運算指令，在MEM階段空閒。對於load指令，在EX階段計算要訪問的地址，在MEM階段從記憶體中將資料讀入到MEM register(MEM和WB之間的流水線暫存器)中，在WB階段，將MEM register的資料寫回到Register file中。對於store指令，在EX階段計算要訪問的地址，在MEM階段將暫存器中的資料寫回到儲存器中。

        下圖是MIPS 5級流水線的執行順序圖：

MIPS 5級流水線

       這5級流水線可以說是史上最經典的流水線，早期的MIPS、ARM9等處理器使用這種流水線，以後的處理器也都能看到它的影子，包括x86處理器等。