流水线冒泡(Pipeline Bubble) #
对于同一个寄存器或者内存地址的操作,都有明确强制的顺序要求。而这个顺序操作的要求,也为我们使用流水线带来了很大的挑战。因为流水线架构的核心,就是在前一个指令还没有结束的时候,后面的指令就要开始执行。
所以,我们需要有解决这些数据冒险的办法。其中最简单的一个办法,不过也是最笨的一个办法,就是流水线停顿(Pipeline Stall),或者叫流水线冒泡(Pipeline Bubbling)。
流水线停顿的办法很容易理解。如果我们发现了后面执行的指令,会对前面执行的指令有数据层面的依赖关系,那最简单的办法就是“再等等”。我们在进行指令译码的时候,会拿到对应指令所需要访问的寄存器和内存地址。所以,在这个时候,我们能够判断出来,这个指令是否会触发数据冒险。如果会触发数据冒险,我们就可以决定,让整个流水线停顿一个或者多个周期。

时钟信号会不停地在 0 和 1 之前自动切换。其实,我们并没有办法真的停顿下来。流水线的每一个操作步骤必须要干点儿事情。所以,在实践过程中,我们并不是让流水线停下来,而是在执行后面的操作步骤前面,插入一个 NOP 操作,也就是执行一个其实什么都不干的操作。

这个插入的指令,就好像一个水管(Pipeline)里面,进了一个空的气泡。在水流经过的时候,没有传送水到下一个步骤,而是给了一个什么都没有的空气泡。这也是为什么,我们的流水线停顿,又被叫作流水线冒泡(Pipeline Bubble)的原因。