一、Pipeline

• 多週期機器（Multicycle Machine）： 雖然每個步驟可以切得更小，但由於邊界效應的影響，並不能一直加速。因為切割越多，越需要硬體支援，而硬體傳輸也需要時間。
• 管線（Pipeline）： 意指在硬體和邏輯不衝突的情況下，開始執行下一條指令，但需要額外的硬體資源。這樣可能會出現三大類問題：
  1. 結構危害（Structural Hazard）： 硬體衝突，通常指多條指令同時需要相同的硬體。
  2. 資料危害（Data Hazard）： 當資料還沒回傳就被使用，導致資料引用錯誤。

二、解決資料危害的方法：

1. 停頓（Stall）： 暫時停止管線運作，以等待資料依賴的問題被解決。

   • 圖解說明：例如指令 sub $4, $1, $5 需要等待 add $1,... 的結果，導致管線停頓。

2. 轉發（Forwarding）： 最簡單的解決方式。當結果一可用時便立即傳送，不需完全停頓。轉發可以減少等待指令完全執行所造成的延遲。

Forward Unit：

• 比較當前指令和前一條指令的 rd 和 rs 或 rt 寄存器，來決定是否需要轉發。

Hazard Unit：

• 判斷是否有危害發生。如果發生危害，則會阻止指令提取，並插入空操作（noop）來達到停頓效果。

三、Control Hazard：

當分支或跳轉的決策還未完成前，管線執行錯誤的指令。

解決方法：

1. 轉發（Forwarding，略過）
2. 停頓（Stall）： 控制危害所使用的停頓與資料危害的停頓不同。錯誤指令必須被清除，因此插入空操作（noop）來停頓。
3. 延遲決策（Delay Decision）： 編譯器會在空閒期插入無關的指令，以減少停頓造成的損失。
4. 靜態分支預測（Static Branch Prediction）： 總是猜測一個固定方向，若猜錯則重新抓取。
5. 動態分支預測（Dynamic Branch Prediction）： 根據過去的分支行為來預測未來的方向。

• 分支歷史表（Branch History Table，BHT）： 用於記錄分支是否跳轉過，來預測未來的分支行為。

四、Dealing with Exceptions（異常處理）：

異常分為兩種類型：

• 陷阱（Traps）： 內部指令引發的異常（如溢位、未定義指令）。
• 中斷（Interrupts）： 外部事件引發的異常（如 I/O 請求、操作系統請求）。

除了硬體故障外，其他異常是軟體例外，處理方式通常是將任務迅速完成後返回正常運作。