# pipeline Hazards
pipeline Hazards 是計算機pipeline架構中遇到的障礙。這些障礙可能會阻礙指令在pipeline中的順利執行，可能導致效率低下或結果不正確。pipeline Hazards主要有三種類型：

## Structural Hazards:
* 指的是試圖同時以兩種不同方式使用同一資源的情況。
* 例如，一個結合了洗衣機和烘乾機的設備，同時嘗試清洗和烘乾衣物，這就會造成Structural Hazards。
* 另一個例子是一個電腦正在忙於做其他事情（例如看電視），無法同時處理來自其他地方的信息，這也會導致Structural Hazards的發生。

## Data Hazards:
* 指的是在準備好之前嘗試使用數據的情況。
* 這通常發生在一個指令依賴於仍在pipeline中的前一個指令的結果時。
* 例如，如果一個指令需要依賴前一個指令產生的結果，而該前一個指令仍在pipeline中執行，這就會導致Data Hazards的發生。

Data Hazards的三種類型：
* RAW（讀後寫）：
* 指令 i2 試圖在指令 i1 寫入操作數之前讀取它。
* WAR（寫後讀）：
* 指令 i2 試圖在指令 i1 讀取操作數之前寫入它。這導致獲得錯誤的操作數，例如自動增加地址。
* WAW（寫後寫）：
* 指令 i2 試圖在指令 i1 寫入操作數之前寫入它。這會導致得到錯誤的結果，因為結果是 i1 的，而不是 i2 的。


在MIPS（Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages）架構的五級pipeline中，只有 RAW 類型的Data Hazards是可能發生的。

這是因為在MIPS架構中，所有的指令都需要經過五個階段才能完成，並且讀取操作數的階段始終在第二階段進行，而寫入操作數的階段始終在第五階段進行。

因此，WAR（寫後讀）和 WAW（寫後寫）類型的Data Hazards不會發生在MIPS架構的pipeline中。

#### 處理Data Hazards的方法包括：
* 使用簡單、固定的設計：
* 通過在pipeline中的早期階段（如指令解碼階段）提前獲取操作數，從而消除 WAR（寫後讀）類型的Data Hazards。
* 通過在最後一個階段（靜態階段）按順序執行所有寫回操作，從而消除 WAW（寫後寫）類型的Data Hazards。
* 這些特性與指令集架構（ISA）的設計密切相關。
* Register file 中的內部轉發：
* 在clock的前半部分進行寫入，而在後半部分進行讀取，這樣可以確保後續指令能夠立即獲得之前指令寫入的數據。
* 讀取操作會提供前一個clock週期內寫入的數據，從而解決加法和減法等操作之間的數據衝突。
* 檢測和解決剩餘的障礙：
* 編譯器可以插入空操作指令（NOP），從而解決數據依賴的衝突，這是一種軟件解決方案。
* 使用轉發機制，將數據直接傳遞給需要的指令，這是一種硬件解決方案。
* 在必要時暫停pipeline的執行，直到數據準備好為止，這是另一種硬件解決方案。

這些方法結合起來可以有效地處理Data Hazards，從而提高pipeline的效率和正確性。
## Control Hazards:
* 發生在嘗試在條件評估之前做出決定的情況下。
* 例如，洗足球隊的球衣時，需要查看前一次洗滌的結果以確定適當的洗衣劑水平，而此時可能需要在評估條件之前做出決定。
* 另一個例子是分支指令，在評估條件之前就要做出分支決定，這也會導致控制障礙的發生。