1.我們知道，CPU是電腦的中央處理單元，CPU到底是怎麼連續的執行指令的。我們以MIPS為例，探究一下。

2.基礎的知識我們需要知道，CPU執行一條指令時分為五個階段的：（1）在記憶體取指令（2）根據指令讀暫存器（3）利用暫存器中的資料ALU（4）訪問記憶體（5）寫暫存器。一般是這五個階段，但是很多指令並不是說這五個階段全部都在做事情。比如add，它只有四個階段，其中不涉及到記憶體的訪問。但是，又有指令五個階段都要做事情，比如lw。既然是通用的CPU，我們儘可能的支援奪得指令，或者說是一種短板效應。

3.知道了這些，我們分析一下，CPU如果是一條一條的執行指令，那麼就會出現這種情況，比如add，在執行它的時候，他被執行到第二階段，第一個取指令的操作就空了下來，同理，越來越多的操作被空閒。這顯示是不行的，對於追求效率的CPU是不能容忍的，於是在基於工廠流水線的啟發：提出了基於流水線形式工作的CPU。大概就是這個樣子。

這是五條指令在一起工作，上一條使用完資源以後，下一條緊接著繼續。十分的緊湊，沒錯，這樣就讓CPU連續不空閒的工作，看上去似乎很不錯。

4.流水線的困境。雖然上邊基於流水線的設計，使得CPU得到了很高的效率，但是也面臨這一些困境，或者說冒險。這些詞是根據英文 Hazards翻譯而來。

5.結構困境：

我們觀察這樣一種執行的指令的順序：我們注意到，第一條指令和第四條指令在同一個階段都是在訪問記憶體，其中第一條是在寫記憶體，第二條是在讀記憶體。這兩種操作在某種意義下是相反的，你不可能又讀又寫吧，這顯然是不合理的。為了解決這個問題，人們發明了快取技術。使用兩個一級快取，一個讀一個寫。即保證了效率，又解決了衝突。

同樣的問題也發生在了暫存器上：

我們發現，存在兩條指令一條寫暫存器，一條讀暫存器。這也是不合理的。但是由於暫存器的讀寫速度很快，並且，肯定是要先寫後讀的，因為後邊的指令可能要用到上面指令得到的資料，所以規定先寫後讀。這樣，結構困境被完美解決。

6.控制困境：我們知道，程式時不可避免要出現分支的，就像這樣：

但是我們很快就可以發現問題，因為分支的結果是在ALU之後才能知道的，所以你當前分支後邊的兩條指令到底執行什麼，這是不可預料的。有可能跳轉，也有可能不跳轉，所以把那些指令裝載進來，這是一個很大的問題。針對這個問題，人們提出了三種解決方案：

（1）空指令等待：既然beq這種分支指令只能再ALU之後才能得到結果，那好吧，我在你出結果之前啥也不幹，給你兩條空指令，比如再a0暫存器加0什麼的。那麼其實結構就像是這樣：

這雖然解決了問題，但是引入了兩條空指令，這對CPU這種追求效率的部件來說時不能忍的。然後，人們又提出了第二種解決方案。

（2）人們仔細分析發現，問題的根本原因是在ALU這個位置再整個執行程式流程的後邊，如果把它提前，問題不久容易了一些嘛，所以人們提出再Reg中加一個分支比較器，然後空出一個單個的時間段，這樣似乎又好了很多。

這樣雖然好了很多，但是，還是又空閒，你說人們怎麼就這麼貪心呢？CPU一直工作，插個空閒讓人家休息會不行嗎，電腦科學家說：不行！它得一直給我幹活！行吧，那就幹唄。

（3）新的概念引入，人們發現，這樣雖然不時一整個空指令進去了，但是還是不是很滿意，於是就繼續反思自己。然後發現可能是自己的思想有問題：為什麼分支會產生這樣的問題，因為分支只是做了幹了一個活。我現在重新定義分支，我讓你依次就是執行兩條指令，什麼意思呢?就是說，電腦科學家發現，如果我讓分支一次執行兩條指令，其中一條是分支，另一條是與它無關的指令。這樣再執行完這兩條指令之後，分支的結果也產生了，還順便執行了一條其他的指令。但是這裡面有很多問題：什麼叫做與分支無關的指令，你怎麼找到這樣的指令，這樣的指令一定存在嗎？對於前兩個問題，彙編器會幫我們做，至於最後一個問題，答案是這樣的指令還就真的不一定存在。注意，時不一定，不是一定。但是這種設計使得CPU的效率再很多時候都能達到100%，即使找不到這樣的指令，也是50%。這種設計的方式叫做分支延遲：Delay-Branch

我來解釋一下這個圖，主要是解釋Delay-Branch。看都右邊，我們發現再beq之前，其實ori用到的資料和beq用到的沒關係，所以就可以調整一下位置，把or拿到beq的後邊，這樣再beq完成的時候，or也完成，效率達到100%。

7.我們花了很大的力氣解決了控制困境，但是問題總是解決不完的。畢竟是CPU，怎麼能隨隨便便成功。我們來看一下這個程式執行的過程：

 放在流水線上就是這樣的結果：

我們可以看到：由於t0使用的很頻繁，導致再還沒有結果算出來被寫回來的時候，就已經開始用了。資料的即時依賴產生了資料困境。當然了，這些小問題可是難度到我們的電腦科學家。針對這個問題，電腦科學家馬上提出了前饋機制來解決。

 Forwarding：

其實我們知道，ALU之後資料的結果已經出來了，那麼你先別寫了，先拿來給我用用。先把資料的結果反饋出去，這就叫做前饋。嗯，似乎很不錯，直到遇見了這張圖：

這張圖中，結果再記憶體訪問之後才出來，實在是太慢了，前饋都沒辦法。這可咋辦？沒事，我們的電腦科學家總是有辦法的，他們還是根據剛才的想法，插入一些空指令，使得前饋可以繼續下去。大概就是這樣：

這樣就成功的解決了問題。這樣我們CPU的流水線控制也基本結束了，其實CPU也就是這樣吧，哈哈。