过去两讲,我为你讲解了流水线设计 CPU 所需要的基本概念。接下来,我们一起来看看,要想通过流水线设计来提升 CPU 的吞吐率,我们需要冒哪些风险。
任何一本讲解 CPU 的流水线设计的教科书,都会提到流水线设计需要解决的三大冒险,分别是结构冒险(Structural Hazard)、数据冒险(Data Hazard)以及控制冒险(Control Hazard)。
这三大冒险的名字很有意思,它们都叫作 hazard(冒险)。喜欢玩游戏的话,你应该知道一个著名的游戏,生化危机,英文名就叫 Biohazard。的确,hazard 还有一个意思就是“危机”。那为什么在流水线设计里,hazard 没有翻译成“危机”,而是要叫“冒险”呢?
在 CPU 的流水线设计里,固然我们会遇到各种“危险”情况,使得流水线里的下一条指令不能正常运行。但是,我们其实还是通过“抢跑”的方式,“冒险”拿到了一个提升指令吞吐率的机会。流水线架构的 CPU,是我们主动进行的冒险选择。我们期望能够通过冒险带来更高的回报,所以,这不是无奈之下的应对之举,自然也算不上什么危机了。
事实上,对于各种冒险可能造成的问题,我们其实都准备好了应对的方案。这一讲里,我们先从结构冒险和数据冒险说起,一起来看看这些冒险及其对应的应对方案。