FPGA 经典五级流水线产生的冒险和和解决方案

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冒险产生的原因
典型的五级流水线分为5个阶段：IF, ID, EX,MEM, WB。

了实现cpu的高效率利用，有了流水线，并将5个流水线级重叠使用。流水线处理中因为硬件资源的竞争，和各个阶段的依赖关系，可能会发生操作无法执行，产生冒险。

冒险可分为3类：构造冒险，数据冒险，控制冒险。

构造冒险：

• 构造冒险产生的原因：硬件资源的竞争。Eg:IF阶段和MEM阶段都要访问内存，由于访问内存的总线时共享的，无法同时操作，需要等一方执行完操作后，另一方在执行。（数据和指令共享同一总线为冯诺依曼架构）。本质：硬件资源不够多。
• 解决办法:
  采用哈弗架构，即在物理上将指令和数据所用的内存和访问通道分开。
  缺点：指令的和数据相同编号的地址指向的是不同的内存空间，会引起软件设计的问题。
  本质：增加硬件资源。
  加缓存，即cpu访问指令和数据的时候，直接面对的是各自的缓存，缓存面对内存。内存还是指令和数据公用一个。

数据冒险：

• 数据冒险产生的原因：各个阶段之间存在依赖关系，即某即将执行的数据还需要未准备好的数据。
• 解决办法：

1. 直通:在数据确定的EX阶段，将数据直接传递给下一条指令。
2. 直通无法解决的Load冒险：load指令访问内存要在MEM阶段，但此时下一条指令已经到了EX阶段。此时只能阻塞流水线，暂停一个周期，等到数据确定。
3. 避免load冒险要靠调度算法来避免。

控制冒险：

• 控制冒险产生的原因：无法确定下一条指令出现的冒险。分支指令执行结果出来之前，无法执行下一条指令。
• 解决办法:
• 延迟间隙:在执行分支指令后并不立刻跳转到分支结果指向的指令，而是执行完下一条指令在跳转。