流水线中的相关和冒险

并行需要解耦依赖，依赖又称相关性。当俩个事件存在相关性而同时执行就有可能产生冒险（Hazard）。程序上下指令间存在天然的依赖性，指令间的依赖性可用数据依赖图表示，而流水线同时执行多条指令必然要面对冒险的问题。

在数字电路中也有冲突冒险的概念，也表示对公共资源的冲突，此文的冒险则侧重于流水线并行中的冒险概念。

相关性

产生冒险一定相关，相关不一定产生冒险。分析相关的粒度到指令级，和流水线的粒度保持一致。

• 数据相关：数据流间的相关性。“输入A-指令A-输出A”，“输入B-指令B-输出B”，指令B的输入是指令A的输出，二者构成数据相关。依赖关系可以传递，数据相关关系可以构成相关链“指令A-指令B-指令C”…… 这是逻辑上的相关联系。数据相关指令必须按顺序执行。
• 名称相关：“伪相关”的一种，寄存器名称冲突但数据上不存在冲突，可通过在软件或硬件上实现寄存器重命名消除
• 控制相关：分支的相关冲突。

流水线粒度

以流水线单元为粒度分析冲突是冒险。

• 数据流
  • 数据冒险
• 控制流
  • 分支冒险
• 硬件资源
  • 结构冒险

数据冒险

数据相关必须按照原本顺序执行，但按照顺序执行不一定代表不会发生冲突。由于流水线并行俩个顺序指令挨着很近发生重叠，仍有可能冲突。指令A先于指令B执行，根据发生冲突的不同位置划分如下：

指令 B \ 指令 A	输入（R）	输出（W）
输入（R）	-	RAW
输出（W）	WAR	WAW

比如 RAW 冒险，指令 A 先于指令 B 执行，按理说 B 应该能正确读取到 A 的输出，但是由于 pipeline ，B 读取输入时 A 还没有输出，造成了冒险。对于 RAW，分为俩种情况，B 读取时输入时 A 已经产生了输出数据，只是没有存储到寄存器里，此时可以引入额外的数据旁路解决（数据转发）；若 B 读取时 A 还没产生输出，只能插入气泡停顿等待数据生成。

分支冒险

即下一条指令依赖上一条指令的分支结果，一般可以引入分支预测解决。

结构冒险

在 pipeline 不同阶段对某个相同硬件资源访问冲突。

比如经典的五级流水线 IF-ID-EX-MEM-WB，各级对硬件资源的访问需求如下

Stage	Requirements
IF	缓存读指令
ID	读寄存器
EX	数据总线
MEM	缓存读写
WB	写寄存器

比如如果 Register File 使用 Signal Port 实现，那么 ID 和 WB 可能会发生冒险，如果存在多发射结构，则 EX 多个执行单元会竞争数据总线等等。