流水线冒险

1. 结构冒险 (Structural Hazard)

• 现象：硬件资源冲突。例如，IF 阶段要读指令内存，MEM 阶段要读数据内存。如果指令和数据共用一个 Cache（冯·诺依曼瓶颈），就会冲突。
• 对策：哈佛架构（指令/数据 Cache 分离）。

2. 数据冒险 (Data Hazard) - 重点

• 现象：RAW (Read After Write)。下一条指令需要上一条指令的计算结果，但结果还没写回寄存器。
  • 例子：

    add $1, $2, $3  # $1 的结果在 WB 阶段才写回
    sub $4, $1, $5  # sub 在 ID 阶段就要读 $1

• 对策：
  1. 阻塞 (Stall/Bubble)：暂停流水线，直到数据准备好（浪费性能）。
  2. 转发/旁路 (Forwarding/Bypassing)：直接将 EX 或 MEM 阶段的中间结果“搭桥”传给下一条指令的 ALU 输入端。这是硬件优化的核心。
  3. 编译器调度：调整指令顺序，填充无关指令。

3. 控制冒险 (Control Hazard) - Spectre 之源

• 现象：遇到分支指令 (Branch/Jump)。CPU 在 IF 阶段就要取下一条指令，但直到 MEM 阶段才知道是否跳转。取错了怎么办？
• 对策：
  1. 阻塞：遇到分支就停（太慢）。
  2. 延迟分支 (Delayed Branch)：MIPS 特色。分支指令后面的一条指令（延迟槽）总是被执行。
  3. 分支预测 (Branch Prediction)：
     • 静态预测：总是预测不跳（或向下跳）。
     • 动态预测：使用 BHT (Branch History Table) 记录历史跳转情况。2 位饱和计数器是经典算法。

4. 关联链接

• Spectre漏洞：攻击者训练 BHT，让 CPU 错误预测并执行恶意代码，虽然后来流水线冲刷（Flush）了，但 Cache 留下了痕迹。