处理器内部有很多通用寄存器，这些寄存器用来存储指令的操作数，它对程序员可见，如x86有8个通用寄存器，RISC处理器则更多，常有32个或64个等等。这一堆寄存器也被叫做Register file(寄存器堆)。
在流水线设计中，为了确保不同流水线节拍不会相互影响，在每个阶段引入了流水线寄存器来分隔各个流水线节拍：
流水线寄存器
寄存器就像是红灯，信号只在固定的时间才会将左端节拍的值传递给右端节拍，这样各个节拍的工作就不会出现紊乱。
在汇编语言中，ALU(算术逻辑单元)单元直接访问通用寄存器进行运算，在硬件实现时，通用寄存器中的数据先被读到流水线寄存器中，也即ALU的输入寄存器中，ALU运算结束后，数据会存储在ALU的输出寄存器中，最后再送回到通用寄存器中。下图为ALU、通用寄存器、ALU输入输出寄存器的结构图：
ALU、ALU输入输出寄存器、寄存器堆的关系
流水线寄存器是对程序员不可见的，ALU指令的执行节拍可以进一步细分为3个子节拍：
1. 从寄存器堆中读取寄存器的值
2. 进行运算
3. 将运算结果写回到寄存器堆中
根据这个分析，处理器的流水线可以进一步细分。MIPS处理器在设计时，将处理器的执行过程划分为5个阶段：
在MIPS的5级流水线中，从寄存器堆中读数据到ALU输入寄存器这个步骤被放在了ID阶段，将运算结果写回到寄存器堆被作为一个独立的阶段。
到目前为止，我们都认为数据已经存放在寄存器中，事实上，数据被存放在内存(Memory)中，在RISC处器中，数据要先从内存load(导入)到寄存器中，然后再参与运算，然后将运算结果store(导出)到存储器中去。因此，MIPS的5级流水线增加了一个MEM阶段。
对于运算指令，在MEM阶段空闲。对于load指令，在EX阶段计算要访问的地址，在MEM阶段从内存中将数据读入到MEM register(MEM和WB之间的流水线寄存器)中，在WB阶段，将MEM register的数据写回到Register file中。对于store指令，在EX阶段计算要访问的地址，在MEM阶段将寄存器中的数据写回到存储器中。
下图是MIPS 5级流水线的执行顺序图：
MIPS 5级流水线
这5级流水线可以说是史上最经典的流水线，早期的MIPS、ARM9等处理器使用这种流水线，以后的处理器也都能看到它的影子，包括x86处理器等。