计算机指令的流水线执行与流水线冒险

计算机指令的流水线处理可以显著提升性能，类似于洗衣房的并行操作。

计算机指令同样可以采用流水线方式并行执行。

MIPS 流水线的数据通路设计

流水线中的冒险可能会导致下一周期无法按时执行下一条指令。

结构冒险数据冒险 指的是一条指令依赖于之前指令的计算结果。

后续指令需要暂停等待前面的计算结果。

前推/旁路（forwarding/bypassing）技术无需等待计算结果存储到目标寄存器，通过增加一条额外数据通路，直接将计算结果传给下一条指令的输入。

前推结合阻塞技术，但并非所有冒险都能通过前推避免暂停。

当需要使用前一条指令的结果时，如果前一条指令尚未获得结果，就需要暂停。

还可以通过调整指令顺序来避免阻塞等待。

控制冒险 分支预测

更有效的分析和预测

在遇到跳转语句时，通常需要等到MEM阶段才能确定是否跳转（通过硬件优化，可以大幅缩短分支延迟，将分支执行提前到ID阶段，从而将分支预测错误的代价减少到仅一条指令），这种为了确保预取正确指令而导致的延迟称为控制冒险（分支冒险）。

为了减少控制冒险带来的性能损失，通常采用分支预测技术。分支预测技术包括编译时的静态分支预测和执行时的动态分支预测。

BTB（Branch Target Buffer）动态分支预测中的BTB（Branch Target Buffer）技术。

BTB即分支目标缓冲器，它将分支指令（对应的指令地址）存储在一个缓冲区中，当再次遇到相同的指令（跳转判定）时，它将执行与上次相同的跳转（分支或不分支）预测。

一种可能的BTB结构示意图如下：

在采用BTB后，流水线各阶段的相关操作如下：

需要注意的是，为了填写BTB，需要额外一个周期。