CPU

具体功能

• 指令控制：程序的顺序控制
  
• 操作控制：控制部件正确执行
  
• 时间控制：控制操作信号的持续时间，时间顺序
  
• 数据加工：算术逻辑运算
  
• 中断处理：异常情况进行处理

CPU模型

CPU寄存器

用户可见寄存器

用于减少访存次数，由汇编程序员调用

用户不可见寄存器

控制部件使用，控制CPU的操作

运算器寄存器

存储器寄存器

图片描述

指令模型

指令周期

如上所示，一条完整的指令周期，至少需要分别经历取指阶段和执行阶段
对于间址周期，不一定每次都采用，而是只有需要间接寻址的指令，才需要这个周期

取指周期

核心任务：根据PC中的内容，从主存中取出指令代码，放置于IR寄存器，PC自加1
数据流大概如下：
1、从PC发地址到存储器
2、从CU发出读命令
3、从存储器拿到数据，存到IR
4、PC自加一

间址周期

核心任务：==取操作数有效地址==。
数据流：
1、IR/MDR的地址到MAR
2、CU发出读命令到主存
3、主存数据流向MDR

执行周期

核心任务：取操作数，根据IR中的指令字的操作码通过ALU产生结果，无固定数据流

中断周期

核心任务：处理中断请求。
假设断点存入堆栈，SP指向栈帧地址，进栈操作先修改栈顶指针，后存入数据。
数据流：
1、先将栈顶指针-1，然后将SP中的地址存入主存（保存当前栈空间，后续用栈的话，只会增加空间然后用）
2、CU发出写命令，将SP地址写入主存
3、PC地址存入主存
4、最后将中断服务程序的开始地址给到PC

指令执行方案

单周期处理器

特点：
1、每条指令在一个CPU周期内完成
2、串行执行

多周期处理器

1、每条指令为期选择不同的执行步骤，需要几个周期，就给几个
2、串行执行

流水线处理器

1、并行执行

控制器

结构与功能

控制器的核心功能：
1、从主存中取出一条指令，并指出下一条指令在主存中的位置
2、对指令进行译码，产生相应的控制信号
3、指挥并控制CPU、主存、输入输出设备之间的数据流动方向

硬布线控制器

主要构成

硬布线控制器的主要构成是通过逻辑门电路和触发器构成的。根据指令要求，当前时序和外部状态

输入输出流

输入：
- 指令经过译码产生的指令信息
- 时钟脉冲
- 执行单元的反馈标志
输出：
- 具体的控制信号

特点

速度主要由电路延迟决定，CPU核心部件往往用硬布线实现。控制信号一般先由逻辑式列出，经过化简后用电路实现，因此，电路往往比较杂乱且难以修改。

微程序控制器

基本概念

将指令编写成一个微程序，每个微程序包含若干微指令，每条微指令对应若干微操作命令，因此，执行一条微指令的过程就是执行一个微程序的过程。微程序基本存储在一个控制存储器中。
- 微命令：控制部件向执行部件发出的控制命令称为微命令，是构成控制序列的最小单位。例如：打开某个控制门的电位信号。当然，有些微命令是互斥的，比如同时对一个双端口的存储器打开写入信号
- 微操作：执行部件收到微命令后执行的操作称为微操作
- 微指令：若干微命令的集合，一般包含两部分信息：①操作控制字段：用于产生某一步操作所需要的各种操作控制信号 ②顺序控制字段：用于控制下一条要执行的微指令地址
- 微周期：从存储器取出并执行一条微指令所需的全部时间，通常为一个时间周期

软硬件构成

控制存储器(CM)

用于存放微程序，在CPU内部，用ROM实现，存放微指令的控制存储器的单元地址称为微地址

微程序的概念

微程序可以看作是对指令的一种实现，是机器指令的实时解释器，由计算机设计者事先编制好存放于控制存储器中。对于程序员来说，微程序的设计是透明的。

寄存器

寄存器

微程序控制器的组成和工作过程

组成

1、起始和转移地址形成部件：用于产生初始和后继地址
2、微指令地址寄存器：接收微地址形成部件送来的微地址，为读取指令做准备（类似于IR）
3、控制存储器：微程序控制器的核心部件，用于存放各指令对应的微程序
4、微指令寄存器：位数等于微指令字长。（类似于PC寄存器）

工作过程

1、执行取指令公共操作。将取指微程序(注意，这里的意思是一个单独的特定的微程序，一般位于CM的0号单元)的入口送入，然后从控制存储器中读出相应的微指令并送入中。其目的是将取出的机器指令存入IR中。
2、将机器指令的操作码字段，经过微地址形成部件，产生对应的微程序的入口地址，送入
3、从CM中逐条取出对应的微指令并执行
4、执行完微程序后，回到取指程序的入口地址，继续取下一条指令

微指令的编码方式

目标：在保证速度的前提下，尽量缩短微指令的字长

直接编码

直接编码的好处在于，无需进行译码，只需要将微命令的对应位置设为1即可，每个微命令对应数据通路的一个微操作
缺点：微指令字长过长，n个微命令就要求微指令的字长有n位，控制存储器容量极大

字段直接编码

分段原则：将相容性的微命令分在不同字段，把互斥性的命令分为一个字段，这样确保同一时刻只能执行相容性的微命令，同时可以利用译码器进行压缩，缩短字长。

一般来说，每个小段还要留出一个状态，表示本字段不发出任何命令，通常用0填充，代表不发出任何命令。

字段间接编码

简单来说，就是一个字段中的微命令，可能需要依靠其他字段的某些微命令来解释，这种方式可以进一步缩短字长，但是削弱了并行执行的能力，因此，通常作为直接编码的一种辅助手段。

微指令的地址形成方式

1、断定方式：由微指令的后继地址字段直接指出。
2、根据机器指令的操作码形成。即微程序指令的首地址的获取方式
3、增量计数器法：即
4、根据各种标志决定下一条微指令分支转移的地址（涉及到执行部件）
5、由硬件直接产生微程序的入口，比如取指微指令，由专门的硬件电路产生。

微指令的格式

微指令的格式和微指令的编码方式有关。

水平微指令

前面讲过的直接编码，字段直接编码，字段间接编码都属于水平型微指令，其基本格式如下图所示：

优点：微程序短，并行能力强，执行速度快
缺点：微指令较长，编写微程序较麻烦。

垂直微指令

采用类似机器指令操作码的方式，在微指令字段中设置微操作码字段，一条微指令通常只能执行一种微命令。（说白了就是一次一条控制信息）
优点：微指令短，便于编写，简单、规整。
缺点：微程序长，执行速度慢，效率低。

控制器总结

对比

指令流水线

基本概念

从两方面提高处理机的并行性能：
1、时间上的并行
2、空间上的并行

具体措施

将一条指令的执行过程分为五个阶段，每个阶段视为一个流水段
- 取指IF：从指令存储或Cache中取指令
- 译码ID：操作控制器对指令进行译码，同时从寄存器堆中取操作数
- 执行EX：执行运算操作或计算地址
- 访存MEM：对存储器进行读/写操作
- 写回WB：将指令执行结果写回寄存器堆
则流水线过程如下：

可以看出，在理想情况下，每个时钟周期都有一条指令进入流水线，每个时钟周期都有一条指令完成，每条指令的CPI=1

对指令集的要求

• 指令长度尽量一致
  
• 指令格式尽量规整
  
• 采用Load或者Store类型指令，其余指令不可访存，方便处理在同一周期
  
• 数据按边界对齐

流水线的实现

设计原则

1、流水段个数以最复杂指令所用功能段个数为准(木桶效应)
2、流水段的长度以最复杂的操作所花的时间为准。
由此可见，流水线方式并不能缩短单条指令的执行时间，但对于整个程序来说,执行效率得到了大幅提高

流水线的逻辑结构

每个流水段后面都要增加一个流水段寄存器，用于锁存本段处理完的所有数据，以保证本段的执行结果能在下个周期给下一流水线使用。
为了确保流水线的正常运行，采用统一的时钟周期，每来一个时钟，各段处理完的数据都将锁存到段尾的流水线寄存器中，作为后段的输入，前段也会收到前段通过流水段奇存器传递过来的数据。

流水线的时空图

时空图可以直观的描述流水线的运行情况，横坐标表示时间，纵坐标表示空间，即当前指令所处的功能部件。


从第一张图，我们可以看出，10T时刻共计输出了6条指令
但是如果正常运行，那么10T最多能输出2条指令
可见，流水线提高了3倍的CPU速度

流水线的冒险

为了方便下面的讲解，我先列出三类指令在各个流水段的操作

结构冒险

概念：不同指令在同一时刻争用同一功能部件而形成的冲突
本质原因：不同指令在不同的执行阶段会对同一个部件进行访问
例子：Load的MEM阶段会访问存储，且大部分指令的IF阶段都会访问存储

解决结构冲突的办法：
1、停顿法：前一指令访存时，使后一个相关指令暂停一个周期。
2、对于访问冲突问题，单独设置数据存储器和指令存储器。访问不同的存储器以防止结构冲突

数据冒险

概念：后面指令用到前面指令的结果时，前面指令的结果还没产生。
例子：考虑下面这条指令：
在这个指令中，I1指令的目的操作数是I2的源操作数。于是，在时空图中表现如下

因此会发生先读后写的冲突。
解决数据冲突的办法：
1、停顿法：把遇到数据相关的指令及其后续指令都暂停一至几个时钟周期,直到数拥相关间题消失后再维续执行
2、转发旁路技术：设置相关转发通路，不等前一条指令把计算结果写回寄存器，下一条指令也不再从寄存器读，而将数据通路中生成的中间数据直接转发到ALU的输入。

3、load-use数据冒险的处理：如果load指令后面紧跟运算类指令，由于load的执行过程不会用到ALU，就很难实现旁路转发技术。把这种情况单独独立出来成为load-use数据冒险。
解决办法：还是只能阻塞，可以把use的指令阻塞一个周期就行。

控制冒险

概念：遇到改变指令执行顺序的情况，例如执行转移或返回指令、发生中断或异常时，会改变PC值，从而造成断流，也称控制冲突。
例子：比如说bne指令(branch if not equal)，这种指令需要比较两个操作数的大小，根据EX阶段的结果，来决定MEM阶段是否修改PC的值。对于这样的指令，不执行完它我们是没办法往下执行流水线的。
解决办法：
1、阻塞法：插入nop指令（什么都不做），我们把阻塞的时间延时周期称为延时损失时间片C，我们只要插入C条nop指令就可以了。
2、分支预测法：对转移指令进行分支预测，==尽早生成转移目标地址==。分支预测分为简单(静态)预测和动态预测。若静态预测的条件总是不满是，则按序维续执行分支指令的后续指令。动态预测根据程序转移的历史情况，进行动态预测调整，有较高的预测准确率。

流水线的性能指标

吞吐率

公式：
解释：其中，n是任务数，是处理完n个任务所用的总时间，为时钟周期，k为流水线的段数。总思想是，单位时间完成的任务数

加速比

公式：

解释：思想是：完成同一批任务，不使用流水线技术和使用流水线技术用时之比。
其中，n是任务数，是不适用流水线技术的总时间是使用流水线技术的总时间，为时钟周期，k为流水线的段数。