一、引子
1、解決不同指令之間的數據依賴問題。
上一講，我為你講解了結構冒險和數據冒險，以及應對這兩種冒險的兩個解決方案。一種方案是增加資源，通過添加指令緩存和數據緩存，讓我們對於指令和數據的訪問可以同時進行。
這個辦法幫助CPU解決了取指令和訪問數據之間的資源沖突。另一種方案是直接進行等待。通過插入NOP這樣的無效指令，等待之前的指令完成。這樣我們就能解決不同指令之間的數據依賴問題
2、上一講的這兩種方案這兩種方案都有點兒笨。
着急的人，看完上一講的這兩種方案，可能已經要跳起來問了：“這也能算解決方案么？”的確，這兩種方案都有點兒笨。
第一種解決方案，好比是在軟件開發的過程中，發現效率不夠，於是研發負責人說：“我們需要雙倍的人手和研發資源。”而第二種解決方案，好比你在提需求的時候，研發負責人告訴你說：“來不及做，你只能等
我們需求排期。” 你應該很清楚地知道，“堆資源”和“等排期”這樣的解決方案，並不會真的提高我們的效率，只是避免沖突的無奈之舉。
那針對流水線冒險的問題，我們有沒有更高級或者更高效的解決方案呢？既不用簡單花錢加硬件電路這樣“堆資源”，也不是純粹等待之前的任務完成這樣“等排期”。
答案當然是有的。這一講，我們就來看看計算機組成原理中，一個更加精巧的解決方案，操作數前推
二、NOP操作和指令對齊
要想理解操作數前推技術，我們先來回顧一下，第5講講過的，MIPS體系結構下的R、I、J三類指令，以及第20講里的五級流水線“取指令（IF）-指令譯碼（ID）-指令執行（EX）-內存訪問（MEM）-數據寫回
（WB） ”。我把對應的圖片放進來了，你可以看一下。如果印象不深，建議你先回到這兩節去復習一下，再來看今天的內容
在MIPS的體系結構下，不同類型的指令，會在流水線的不同階段進行不同的操作。
我們以MIPS的LOAD，這樣從內存里讀取數據到寄存器的指令為例，來仔細看看，它需要經歷的5個完整的流水線。STORE這樣從寄存器往內存里寫數據的指令，不需要有寫回寄存器的操作，
也就是沒有數據寫回的流水線階段。至於像ADD和SUB這樣的加減法指令，所有操作都在寄存器完成，所以沒有實際的內存訪問（MEM）操作。
有些指令沒有對應的流水線階段，但是我們並不能跳過對應的階段直接執行下一階段。不然，如果我們先后執行一條LOAD指令和一條ADD指令，就會發生LOAD指令的WB階段和ADD指令的WB階段，
在同一個時鍾周期發生。這樣，相當於觸發了一個結構冒險事件，產生了資源競爭。
所以，在實踐當中，各個指令不需要的階段，並不會直接跳過，而是會運行一次NOP操作。通過插入一個NOP操作，我們可以使后一條指令的每一個Stage，一定不和前一條指令的同Stage在一個時鍾周期執行。
這樣，就不會發生先后兩個指令，在同一時鍾周期競爭相同的資源，產生結構冒險了。
三、流水線里的接力賽：操作數前推
通過NOP操作進行對齊，我們在流水線里，就不會遇到資源競爭產生的結構冒險問題了。除了可以解決結構冒險之外，這個NOP操作，也是我們之前講的流水線停頓插入的對應操作。
但是，插入過多的NOP操作，意味着我們的CPU總是在空轉，干吃飯不干活。那么，我們有沒有什么辦法，盡量少插入一些NOP操作呢？不要着急，
下面我們就以兩條先后發生的ADD指令作為例子，看看能不能找到一些好的解決方案。
add $t0, $s2,$s1 add $s2, $s1,$t0
這兩條指令很簡單。
1. 第一條指令，把 s1 和 s2 寄存器里面的數據相加，存入到 t0 這個寄存器里面。
2. 第二條指令，把 s1 和 t0 寄存器里面的數據相加，存入到 s2 這個寄存器里面。
因為后一條的 add 指令，依賴寄存器 t0 里的值。而 t0 里面的值，又來自於前一條指令的計算結果。所以后一條指令，需要等待前一條指令的數據寫回階段完成之后，才能執行。
就像上一講里講的那樣，我們遇到了一個數據依賴類型的冒險。於是，我們就不得不通過流水線停頓來解決這個冒險問題。我們要在第二條指令的譯碼階段之后，插入對應的NOP指令，
直到前一天指令的數據寫回完成之后，才能繼續執行。這樣的方案，雖然解決了數據冒險的問題，但是也浪費了兩個時鍾周期。我們的第2條指令，其實就是多花了2個時鍾周期，運行了兩次空轉的NOP操作。
不過，其實我們第二條指令的執行，未必要等待第一條指令寫回完成，才能進行。如果我們第一條指令的執行結果，能夠直接傳輸給第二條指令的執行階段，作為輸入，那我們的第二條指令，
就不用再從寄存器里面，把數據再單獨讀出來一次，才來執行代碼。
我們完全可以在第一條指令的執行階段完成之后，直接將結果數據傳輸給到下一條指令的ALU。然后，下一條指令不需要再插入兩個NOP階段，就可以繼續正常走到執行階段。
這樣的解決方案，我們就叫作 操作數前推（Operand Forwarding），或者操作數旁路（OperandBypassing）。其實我覺得，更合適的名字應該叫 操作數轉發。這里的Forward，
其實就是我們寫Email時的“轉發”（Forward）的意思。不過現有的經典教材的中文翻譯一般都叫“前推”，我們也就不去糾正這的“轉發”（Forward）的意思。不過現有的經典教材的中文翻譯一般都叫“前推”，我們也就不去糾正這個說法了，你明白這個意思就好。
轉發，其實是這個技術的 邏輯含義，也就是在第1條指令的執行結果，直接“轉發”給了第2條指令的ALU作為輸入。另外一個名字，旁路（Bypassing），則是這個技術的 硬件含義。為了能夠實現這里的“轉發”，
我們在CPU的硬件里面，需要再單獨拉一根信號傳輸的線路出來，使得ALU的計算結果，能夠重新回到ALU的輸入里來。這樣的一條線路，就是我們的“旁路”。它越過（Bypass）了寫入寄存器，再從寄存器讀出的過程，也為我們節省了2個時鍾周期。
操作數前推的解決方案不但可以單獨使用，還可以和流水線冒泡一起使用。有的時候，雖然我們可以把操作數轉發到下一條指令，但是下一條指令仍然需要停頓一個時鍾周期。比如說，我們先去執行一條LOAD指令，再去執行ADD指令。LOAD指令在訪存階段才能把數據讀取出來，所以下一條指令的執行階段，需要在訪存階段完成之后，才能進行。
總的來說，操作數前推的解決方案，比流水線停頓更進了一步。
流水線停頓的方案，有點兒像游泳比賽的接力方式。下一名運動員，需要在前一個運動員游玩了全程之后，觸碰到了游泳池壁才能出發。
而操作數前推，就好像短跑接力賽。后一個運動員可以提前搶跑，而前一個運動員會多跑一段主動把交接棒傳遞給他。
四、總結延伸
這一講，我給你介紹了一個更加高級，也更加復雜的解決數據冒險問題方案，就是操作數前推，或者叫操作數旁路。
操作數前推，就是通過在硬件層面制造一條旁路，讓一條指令的計算結果，可以直接傳輸給下一條指令，而不再需要“指令1寫回寄存器，指令2再讀取寄存器“這樣多此一舉的操作。
這樣直接傳輸帶來的好處就是，后面的指令可以減少，甚至消除原本需要通過流水線停頓，才能解決的數據冒險問題。
這個前推的解決方案，不僅可以單獨使用，還可以和前面講解過的流水線冒泡結合在一起使用。因為有些時候，我們的操作數前推並不能減少所有“冒泡”，只能去掉其中的一部分。
我們仍然需要通過插入一些“氣泡”來解決冒險問題。
通過操作數前推，我們進一步提升了CPU的運行效率。那么，我們是不是還能找到別的辦法，進一步地減少浪費呢？畢竟，看到現在，我們仍然少不了要插入很多NOP的“氣泡”。
那就請你繼續堅持學習下去。下一講，我們來看看，CPU是怎么通過亂序執行，進一步減少“氣泡”的。