流水线
概览
流水线将指令执行分为多个阶段，每个阶段处理指令的一部分。这样可以在同一时间内处理多条指令，提高CPU的吞吐量。
数据通路
要将单周期CPU改为流水线CPU，需要做以下修改：
- 在每个阶段之间添加寄存器，以存储中间结果。
- 修改控制信号，使其适应流水线结构。
- 写回pc + 4的分支采用独立的加法器，避免干扰其他阶段。
风险
结构风险
结构风险发生在两个指令需要使用同一资源时，例如ALU或内存。
解决方法：
- 增加资源，例如增加ALU数量。
- 通过调度指令来避免资源冲突。例如让指令暂停，直到资源可用。
数据风险
数据风险发生在指令之间存在数据依赖时，例如一条指令需要使用前一条指令的结果，但是前一条指令还没有完成。
读写:
当两条指令同时写和读的时候，可以通过合理设计寄存器文件来避免数据风险。
寄存器文件被设计为，在前半个周期写入数据，在后半个周期读取数据。这样可以确保写入操作完成后，读取操作才能获取到正确的数据。
当读的指令在写指令之前时，数据风险就会发生。
注意到，下一条指令需要使用ALU的结果时，上一条指令的ALU已经计算完成了，但是结果还没有写回寄存器文件。
为了不产生空泡，我们可以使用转发（forwarding）技术，将ALU的输出直接转发到需要它的指令，而不必等待写回寄存器文件。
加载:
当指令需要使用前一条指令加载的数据时，数据风险就会发生。这时候转发无法解决问题，因为在数据从内存读出来时，ALU的阶段已经结束。
解决方法：
- 插入空泡，让指令暂停一个周期，等待数据加载完成。
- 通过编译器优化指令顺序，避免数据风险。例如将不相关的指令插入到需要等待的指令之间。
控制风险
控制风险发生在分支指令时，因为是否分支直到分支指令的EX阶段才知道。此时，下面两条指令已经开始执行。
解决方法：预测分支
分支预测器根据历史执行情况预测分支的结果，从而提前加载可能需要执行的指令。