Data hazards, Structural hazards, Control hazards

Structure Hazards

• 结果：部分指令必须等待资源释放，导致流水线停顿（插入气泡），降低效率。
• 核心原因：处理器中某些硬件资源（如内存、功能单元）被设计为单例或数量有限，无法满足多条指令的并行需求。

示例1：冯·诺依曼架构的内存冲突

• 背景：在冯·诺依曼架构中，指令和数据共享同一内存。
• 冲突过程：
  • IF阶段（取指）：需要从内存读取下一条指令。
  • MEM阶段（访存）：需要从内存读取或写入数据。
  • 冲突发生：当两条指令分别处于IF和MEM阶段时，同时请求访问内存，但内存只能响应一个请求。
• 解决方案：
  • 哈佛架构：分离指令内存和数据内存（如CPU的L1缓存分为指令缓存I-Cache和数据缓存D-Cache）。
  • 内存调度：通过优先级仲裁决定哪个阶段先访问内存。

示例2：连续除法指令的冲突

• 背景：除法器（Divider）是复杂功能单元，通常需要多周期完成操作且数量有限。
• 冲突过程：
  • 第一条除法指令进入执行阶段，占用除法器。
  • 第二条除法指令紧随其后，发现除法器已被占用，必须等待。
• 解决方案：
  • 插入气泡：暂停后续指令，直到除法器空闲。
  • 增加功能单元：设计多个除法器（但增加硬件成本）。
  • 指令调度：编译器优化指令顺序，避免连续除法指令。

Single-cycle Data Path, Pipelined Data Path, Superscalar Data Path are all not suitable for vanilla von Neumann architecture.

Avoiding Structure Hazards

Data Hazards

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