指令实现计算机控制的关键：多路复用器（multiplexor，缩写 Mux）、译码器（Decoder）。

计算机运行的期间，所有的组合逻辑电路都在执行运算，但只有一个输出是有效的，这个输出将通过 Mux 选择出来。

流水线

流水线的概述

流水线（pipeline）是计算机中一种多条指令重叠执行的技术。核心思想是下一条指令的执行并不需要等待上一条指令结束。

RISC-V 指令集中，执行一条指令通常包括 5 个步骤：

1. 从存储器取指令（取指 IF）
2. 读寄存器，并进行指令译码（译码 ID）
3. 执行指令（执行 EX）
4. 从存储器读取数据，或者向存储器写入数据（访存 MEM）
5. 将结果写入寄存器（写回 WB） 按这种方式可以将指令划分为五个阶段，这种流水线通常被称为五级流水线（five-stage pipeline）

冒险

下一个时钟周期中的下一个指令无法执行的情况，称为冒险（hazard）。冒险主要包括结构冒险、数据冒险、控制冒险。

结构冒险

因为缺乏硬件支持，指令不能在预定的时钟周期内执行的情况，i.e. 多条指令同时竞争同一个硬件结构的情况，称为结构冒险（structural hazard）。

例如，在只有一个存储器的机器上，从存储器取指令和从存储器取数据之间会发生结构冒险。RISC-V 指令集可以很好地避免结构冒险、

数据冒险

因为一个步骤需要等待另一个步骤的计算结构，而此时无法提供指令执行所需要的数据，这种情况导致的流水线停顿称为数据冒险（data hazard）。

假设有以下汇编程序：

add x19, x0, x1 # x19 = x0 + x1;
sub x2, x19, x3 # x2 = x19 - x3;

此时减法指令的 x19 必须等待加法指令计算完成才能获得，这是一种数据冒险。

可以在 CPU 的硬件中，直接添加 ALU 的输出往输入的数据通路，将 add 指令在 ALU 的输出直接传递给 sub 指令作为输入，这种方法称为前递（forwarding）或旁路（bypassing）。前递可以用下图直观展示：

控制冒险

控制冒险又称为分支冒险，指的是因为分支的存在，流水线提前运行的指令不是所需的指令导致的冒险。

现代计算机通常使用预测的方法来解决控制冒险，提前预测分支的结果。如果预测错误，抛弃当前的结果，再重新取正确的指令。