CPU：冒险和预测

任何一本讲解CPU的流水线设计的教科书，都会提高流水线设计需要解决的三个冒险，分别是

1. 结构冒险
2. 数据冒险
3. 控制冒险

结构冒险

本质上是一个硬件层面的资源竞争问题，也就是一个硬件电路层面的问题。
CPU在同一个时钟周期，同时在运行两条计算机指令的不同阶段，但是这两个不同的阶段，可能会用到同样的硬件电路。
举个例子：
最常见的就是薄膜键盘的锁键问题。常用的最廉价的薄膜键盘，并不是每一个按键的背后都有一根独立的线路，而是多个键公用一个线路。如果我们在同一时间，按下两个公用一个线路的按键，这两个按键的信号就没办法都传输出去。
这也是为什么，重度键盘用户，都要买贵一点的机械键盘或者电容键盘。因为这些键盘每个按键都有独立的传输线路，可以做到“全键无冲”，这样，无论你是要大量写文章、写程序，还是打游戏，都不会遇到按下了键却没生效的情况。

同样的方案，我们一样可以在CPU的结构冒险里面。对于访问内存数据和取指令的冲突，一个直观的解决方案就是把我们的内存分成两部分，让他们各自有各自的地址编译器。
这两部分分别是：

1. 存放指令的程序内存
2. 存放数据的数据内存

解决方案

由于限制来自于同一个时钟周期不同的指令，要访问相同的硬件资源，解决方案是增加资源。

数据冒险：三种不同的依赖关系

数据冒险，其实就是同时在执行的多个指令之间，有数据依赖的情况。这些数据依赖，我们可以分为三大类，分别是：

1. 先写后读
2. 先读后写
3. 写后再写

 // 先写后读
int main() {
    int a = 1;
    int b = 2;
    a = a + 2;
    b = a + 3;
}
// 先读后写
int main() {
    int a = 1;
    int b = 2;
    a = b + a;
    b = a + b;
}
// 写后再写
int main() {
    int a = 1;
    a = 2;
}

解决方案

由于限制来自于数据之间的各种依赖，我们提议提前把数据转发到下一个指令。

1. 流水线停顿：通过“等待”，也就是插入无效的NOP操作的方式，来解决冒险问题
2. 操作数前推： 通过在硬件层面制造一条旁路，让一条指令的计算结果，直接传输给下一条指令，而不再需要“指令1写回寄存器，指令2再读取寄存器”这样多此一举的操作。这样直接传输带来的好处就是，后面的指令可以减少，甚至消除原本需要通过流水线停顿，才能解决的数据冒险问题。
3. 乱序执行：在指令执行的阶段通过一个类似线程池的保留站，让系统自己去动态调度先执行哪些指令。这个动态调度巧妙的解决了流水线阻塞的问题。指令执行的先后顺序，不再和他们在程序中的顺序有关。我们只要保证不破坏依赖即可。CPU只要等到在指令结果的最终提交的阶段，在通过重新排序的方式，确保指令“实际上”是最终执行的。

控制冒险

什么是控制冒险？
为了确保能取到正确的指令，而不得不进行等待延迟的情况，就是控制冒险

解决方案：

1. 缩短分支延迟
2. 分支预测
3. 动态分支预测