打怪升级之流水线技术

流水线处理

流水线处理时一种提高CPU的处理性能的技术。所谓流水线处理，是将吃cpu操作分为多个阶段，让那后像流水线作业一样执行。CPU中的各种硬件资源，只在处理的相应阶段使用，其他时间大多处于空闲状态，比如，运算器在指令执行时使用，在指令读取、解码时空闲。因此，为了提高使用效率，引入了流水线处理技术。

流水线处理的情况下，读取某条指令后，该指令解码的同时读取下一条指令。通过使各个阶段的动作重叠，可以让硬件资源有效使用，同时提高处理速度。流水线处理就像是将之前一个人完成的操作，分成N个相连的步骤进行处理，以此提高处理效率。

流水线处理中，处理的各个阶段被称为流水线级。各个流水线级的处理时间应该尽量相等，最慢的处理级的时间就是系统的时钟周期。

典型的5阶段流水级

流水级之间通常设置流水线寄存器，用来保存状态并传递给下一个操作阶段。
1、IF（Instruction Fetch）阶段
将PC的值发送到内存，读取指令
2、ID（Instruction Decode）阶段
将读取的指令解码并决定将要进行的操作，从寄存器读取数据
3、EX（Execution）阶段
使用运算器执行操作，可以执行算术运算和逻辑运算的可以并称为ALU（Arithmetic and Logic Unit）
4、MEM（Memory Access）阶段
进行内存访问
5、WB（Write Back）阶段
将结果写回寄存器堆

时刻	IF阶段	ID阶段	EX阶段	MEM阶段	WB阶段
时刻1	读取指令1	等待状态	等待状态	等待状态	等待状态
时刻2	读取指令2	解码指令1	等待状态	等待状态	等待状态
时刻3	读取指令3	解码指令2	执行指令1	等待状态	等待状态
时刻4	读取指令4	解码指令3	执行指令2	内存访问指令1	等待状态
时刻5	读取指令5	解码指令4	执行指令3	内存访问指令2	回写指令1
时刻6	读取指令6	解码指令5	执行指令4	内存访问指令3	回写指令2
时刻7	读取指令7	解码指令6	执行指令5	内存访问指令4	回写指令3
时刻8	读取指令8	解码指令7	执行指令6	内存访问指令5	回写指令4

流水级冒险

流水级处理中，由于各个阶段的依赖关系，硬件资源的竞争等原因，会出现操作无法执行的情况。造成流水线故障的原因成为冒险，冒险分为构造、数据冒险和控制冒险。

构造冒险时由于硬件资源的竞争，操作无法同时执行的情况。比如IF阶段和MEM阶段都要访问内存，由于访问内存使用的总线是共享资源，无法同时进行操作，因此，如果发生IF阶段和MEM阶段同时访问内存的情况，一方需要等待另一方完成才能继续执行。这种指令和数据使用同一通道的构造成为冯诺依曼架构。
如果导致冒险产生的硬件资源数量足够的多，也可以依靠硬件避免冒险的发生，只需要保证程序运行过程中，总是有空闲的硬件资源可供指令级流水级使用即可。
如果指令和数据访问内存的通道分开，则被称为是哈佛构造，哈佛构造的优点是针对数据面和控制面这两个最广泛、普遍的数据分类，提供了一个基本的分割。这样直接的保护了数据面的问题和业务面的问题分开。

数据冒险，由于指令执行所需要的数据还未准备好所引起的冒险情况。但即将执行的指令依赖于还未完成处理的数据时，会导致指令无法立刻开始执行，引发数据冒险。为了回避数据冒险，使用直通（Forwarding）方法，原本回写运算的结果是在WB阶段走内存的，现在在明确代码之间的依赖关系后，第二条指令等待第一条指令结果时，直接在第一条指令的EX阶段（同时刻即为第二条指令的最早为ID的阶段）直接传递数据给ID。数据冒险的解决依赖于代码将依赖关系的判断。

控制冒险，无法确定下一跳指令而引发的冒险行为，这本质上也时数据冒险的一种，只不过是冒险发生的实时机不一样，对数据冒险来说，只需要保证取数据的ID阶段来临时，数据可以就位就可以了，控制冒险需要数据就位的时间将会更长一些，需要在IF阶段就要求数据直接就位，因此解决控制冒险最少需要间隔一个周期才能将EX阶段的信息传递给新指令的IF阶段。

这些冒险的概念本身并不一定依赖于5级流水的这一特定的架构。如何通过编译、硬件资源调用的方式规避上述的冒险行为，就成了编译器所需要工作的核心。目前进行冒险规避的方法，大多数都是使用编译器做语义分析后，以软件方式规避实现的。