本文是对流水线技术地基本概念、冒险处理、硬件实现的基本概述。首先我们介绍流水线的工作原理、组成要求、分类和性能指标，接下来讨论流水线的冒险处理，最后我们以MIPS为例，介绍流水线数据通路和控制器的实现。
1. 流水线概念
针对串行执行过程中的冗余和瓶颈，我们提出，可以将指令执行过程划分为多个阶段，各个阶段可以同时处理操作，这样，每条指令按序通过各段，不同指令的执行过程重叠，得到的就是流水线。
流水线由多个功能段按序组成。例如，在RISC中，通常包括IF,ID,EX,MEM,WB五个功能段，而在CISC中，通常包括IF,ID,OF,EX,WB五个功能段。
理想状况下，流水线可以对程序执行起到显著的加速作用。例如，有n条指令在m段流水线上执行，串行执行的时间为mnt，而采用流水线后，其执行时间为(m+n-1)t。
流水线在组成上，有三个基本要求。
第一，各个段的操作要相互独立、相互分离。因此，每个段的源数据必须来自时序部件，结果也要存到时序部件。实现上，我们设置段间寄存器，其中保存本段的所有后续段需要的本段的数据、地址、命令等。
第二，各个流水段的操作要同步执行。实现上，我们会设置公共拍时钟，使得段间寄存器被同时写入。拍时钟的周期需要取为各个段长的最大值。
第三，各个流水段的操作必须无冲突，以保证结果正确。具体而言，就是消除冒险。实现上，通过增设部件和控制器，来消除各种冒险。
流水线可以按其属性进行多种分类。
按处理的级别，可以分为操作级流水线、指令级流水线、处理机级流水线。
按功能，可以分为单功能和多功能流水线。多功能流水线的各流水段可以进行不同的连接，从而完成不同的功能。
按工作方式，可以分为静态流水线和动态流水线。静态流水线在进行功能切换时，必须排空。显然，动态流水线一定是多功能流水线。
按结构，可以分为线性流水线和非线性流水线。所谓非线性流水线，就是其中有部件的复用。
按流入流出的次序，可以分为顺序流水线和乱序流水线。
流水线的性能指标包括吞吐率、加速比、效率等。
吞吐率指的是单位时间内完成的任务数量，即TP=n/T_流水 →1/t，因此优化吞吐率的方法是降低段长，通过细分瓶颈段或重复设置部件的方式完成。
加速比指的是串行执行时间和流水执行时间的比值，即S=nm/(m+n-1)→m，因此优化加速比的方法是增加段数。
效率即部件利用率E，为部件利用时间占总流水执行时间的比值，即任务所占时空区与所有段总时空区的比值，实际效率为E=n/(m+n-1)→1，因此增加任务数量就能提高效率。对于线性流水线，效率与吞吐率、加速比有关系E=S/m=TP⋅t。
流水线段数的选择主要有两条思路。针对额外开销考虑，应当使段长远大于段间寄存器偏移和时钟偏移。针对性价比考虑，由吞吐率TP=(T/m+d)^(-1)，总价格C=a+bm，最大化性价比PCR=TP/C。
2. 流水线的冒险处理
指令之间的依赖关系称为相关，具体包括数据相关、名相关（反相关/输出相关）、控制相关。由相关引起的流水异常称为冒险。因此，冒险也分为结构冒险、数据冒险、控制冒险。
由争用硬件资源产生的冒险称为结构冒险。为阻止其产生，要求每个部件只能使用一次且使用时间固定。具体处理时，对于高频冲突，重复设置部件；对于低频冲突，分时使用部件。
因重叠执行，指令所需的数据暂时不可用，称为数据冒险。数据冒险通常包括RAW、WAR、WAW等，处理方法通常包括阻塞、转发、乱序执行。
阻塞法的策略是阻塞冲突指令及其后续指令直到RAW冒险消除。实现上，只要检测到RAW，就通过不写PC和IF/ID寄存器来暂停IF段，通过将nop写入ID/EX寄存器来产生气泡。停顿的时长为数据从请求读出到实际可读的间隔拍数。
转发法的策略是让冲突指令从数据产生段获取数据来消除冒险。实现上，为了简化实现，通常在使用时获取，需要增设转发线路。在能成功转发时不停顿，否则停顿时长与阻塞法一致。转发法通常只能处理运算指令，对于load-use冒险无能为力，只能通过阻塞来消除冒险。
乱序执行法的策略是只停顿冲突指令，而后续没有RAW冒险的指令可以先执行。要实现支持乱序流动的流水线，需要增设指令窗口并采用动态调度方法。乱序执行引入了WAR/WAW冒险。
在遇到跳转分支指令时，因指令执行顺序改变，引起流水线停顿，产生的冒险称为控制冒险。处理控制冒险的方法有阻塞法、分支预测法、延迟分支法。
阻塞法的策略是阻塞分支指令之后的指令，直到分支指令执行完，即控制冒险消除。实现上，一旦ID段检测到控制冒险，就立即暂停IF段，ID段从下拍起产生气泡。停顿的时长为ID段到PC可用的间隔拍数。为优化性能，通常需要尽早判断是否转移，尽早确定转移目标地址。
分支预测法的基本思想是预测转移方向并执行该方向的指令，猜对时继续执行后续指令，猜错时回头执行另一方向的上的指令。实现上，在IF段或ID段进行预测，猜对时不写PC，猜错时清空流水线，即各段都写入气泡。通常在猜对时停顿时长为0拍或1拍，猜错时比阻塞法多停一拍。
延迟分支法的基本思想是将分支指令提前。维护一个延迟槽，即延迟分支之后必须要执行的指令，既然如此，尽可能在其中放入有用的指令。实现时，通常通过编译阶段重排序指令序列来完成。通常在延迟槽大小为1条指令时使用延迟分支，否则更适合用分支预测。
3. 流水线的实现
流水线实现基于多周期数据通路，其工作周期为n个时钟周期，Tc为各个基本操作时长的最大值。相比单周期数据通路，多周期数据通路支持部件服用，并增设了一些附加寄存器。
流水线数据通路在实现时，为处理结构冒险，不允许部件复用，并要求固定使用时间；为实现操作分离，设置段间寄存器；为处理数据冒险，增设检测逻辑和转发线路。为处理控制冒险，需要设置从对应段写PC的线路。
流水线控制器需要在ID段产生当前指令所需的微操作控制信号，此时冒险处理已经融入其中。各段只需使用并向后传递控制信号。