流水线停顿

在流水线计算机处理器的设计中，流水线停顿是为了解决危险而延迟执行指令。

在标准的五级流水线中，在译码阶段，控制单元会判断译码指令是否从当前执行指令写入的寄存器中读取。 如果这种情况成立，控制单元将指令暂停一个时钟周期。 它还会暂停取指阶段的指令，以防止该阶段的指令被程序中的下一条指令覆盖。

在使用程序计数器 (PC) 寄存器来确定流水线中正在获取的当前指令的冯诺依曼体系结构中，为了防止在解码阶段的指令被停顿时获取新指令，PC 寄存器中的值和 提取阶段的指令被保留以防止更改。 这些值会一直保留到导致冲突的指令通过执行阶段为止。 这种事件通常被称为气泡，类似于流体管道中的气泡。

在某些架构中，管道的执行阶段必须始终在每个周期执行一个操作。 在这种情况下，通过向执行阶段提供 NOP（无操作）指令来实现气泡，直到气泡被冲走。

以下是通过 4 级流水线两次执行相同的 4 条指令，但无论出于何种原因，在周期 #2 中提取紫色指令的延迟会导致创建气泡，从而延迟其后的所有指令。

下面的例子显示了一个气泡被插入到一个经典的 RISC 流水线中，有五个阶段（IF = 指令获取，ID = 指令解码，EX = 执行，MEM = 内存访问，WB = 寄存器回写）。 在此示例中，第二条指令的 EX 阶段（第三阶段）需要输入xxx条指令的 MEM 阶段（第 4 阶段）之后可用的数据。 没有气泡，EX 阶段（第 3 阶段）只能访问前一个 EX 阶段的输出。 因此，添加气泡可以解决时间依赖性，而无需及时向后传播数据（这是不可能的）。