计算机组成原理的学习笔记(9)--CPU·其一 CPU的基本概念流水线技术数据通路

1. 组成

定义：计算机的核心部件，负责执行指令和处理数据。
组成部分：
- 核心：多个处理单元，提升多任务处理能力。
- 控制单元（CU）：解码指令并协调各组件运作。
- 算术逻辑单元（ALU）：执行算术和逻辑运算。
- 寄存器：临时存储器，用于存放数据和指令。
- 缓存（Cache）：提高数据访问速度，减少对主存的访问。包括L1、L2、L3缓存。
- 总线接口单元：负责与外部设备或内存交换数据。

2. 时钟周期

定义：计算机内部时钟信号完成一次周期所需的时间。
频率：时钟频率以赫兹（Hz）为单位，表示每秒电路振荡的次数。
时钟周期与指令周期的关系：时钟周期决定了CPU每个操作的速度，而指令周期是完成一条指令所需的时间。不同的指令可能需要不同数量的时钟周期来完成。
影响性能的因素：
- 高频率通常意味着短的时钟周期，但也可能导致功耗和热量增加，影响稳定性。
时钟频率并不是唯一决定CPU性能的因素，还需要考虑指令集架构、缓存等因素。

3. 机器周期

定义：CPU完成一次基本操作所需的时间。
与时钟周期的关系：一个机器周期通常由多个时钟周期组成，具体依赖于CPU的架构和指令复杂度。
机器周期的组成：
- 一个机器周期通常包括取指周期、间址周期（地址计算）和执行周期。不同类型的操作可能需要不同的机器周期。

4. 指令周期

定义：执行一条指令所需的总时间，常由多个机器周期组成。
主要阶段：
- 取指（Fetch）：从内存中读取指令。
- 解码（Decode）：将指令解析为控制信号，准备执行。
- 执行（Execute）：根据指令执行相应的算术或逻辑运算，或进行数据传输。
- 访存（Memory Access）：如果指令涉及内存操作（如读取或写入数据），则进行访存。
- 写回（Write-back）：将运算结果写回寄存器或内存。

5. 流水线技术

定义：将指令的执行过程分解为多个阶段，允许同时处理多条指令。
优势：提高指令吞吐量，优化资源利用，减少空闲时间。
流水线分段：流水线通常包括多个阶段，如取指、解码、执行、访存、写回等。
流水线的深度：流水线的阶段越多，每个阶段的任务越简单，但也可能带来更多的冒险问题。
冒险问题：
- 数据冒险：指令之间的数据依赖造成的冲突。可以通过数据转发或流水线停顿来解决。
- 控制冒险：由分支指令引起的指令流不确定性。通过分支预测和延迟槽来优化。
- 结构冒险：由于资源不足引起的冲突。通过增加硬件资源（如多个执行单元）来缓解。

6. 超标量技术

定义：允许在一个时钟周期内同时发射多条指令的处理器架构。
特点：
- 多个执行单元并行处理指令，提高处理效率。
- 动态调度：处理器通过动态调度（如乱序执行）来提高指令吞吐量，尽可能利用空闲的执行单元。
- 指令发射：多个指令同时发射到不同的执行单元，减少了CPU的空闲时间。
- 复杂的调度机制：通过硬件或者编译器技术，处理器可以动态安排指令执行，优化指令间的空闲时间。

7. 超流水线技术

定义：将执行过程中的每个阶段进一步细分，以增加流水线的阶段数量。
优化目标：通过细化每个阶段的操作，使得每个阶段执行的任务更简单，从而提高流水线的吞吐量。
挑战：虽然细化阶段可以提高吞吐量，但也可能增加指令之间的延迟，尤其是在增加了很多分支预测和指令重排的情况下。

8. 超长指令技术

定义：将多个操作合并为一个长指令字，允许并行执行多个操作。
VLIW（超长指令字）：通过将多个操作（如加法、乘法、数据传输等）打包成一个超长指令，在硬件上进行并行执行，指令调度通常由编译器完成，而非硬件。
特点：
- 编译器在编译时负责指令调度。
- 每条指令包含多个操作，可以在多个执行单元中并行执行。
- 增加了编译器的复杂性，但可以有效提高处理器性能。

9. 数据通路

定义：用于数据传输与处理的硬件部分，是执行指令的基础。
组成：
- 寄存器、算术逻辑单元（ALU）、多路复用器（MUX）、数据总线。
工作流程：在各个阶段中，负责从寄存器读取，执行操作，和存储结果。

专用数据通路

1. 取指周期（Instruction Fetch Cycle）

取指周期的任务是从内存中获取指令并加载到指令寄存器（IR）。在这一周期内，处理器执行以下微操作：

PC → MAR：程序计数器（PC）的内容送到内存地址寄存器（MAR），以便确定当前要取指令的内存地址。
(MAR) → M：打开MAR送到地址总线的输出门。
1 → R：CU通过控制总线向主存发出读命令。
M(MAR) → MDR：主存通过数据总线根据MAR中的地址所对应的存储单元中的内容(指令)送入MDR。
MDR → IR：打开控制门，将内存数据寄存器（MDR）中的数据（即指令）送到指令寄存器（IR）中。
OP(IR) → CU：打开指令操作码送往CU的输出门。
PC + 1 → PC：程序计数器（PC）自增，准备下一条指令的地址。

2. 间址周期（Address Calculation Cycle）

间址周期通常用于指令中的寻址操作。例如，对于ADD R1, M（将内存地址M中的值加到寄存器R1中）指令，间址周期的任务是计算指令中的操作数地址。在这一周期中，微操作如下：

Ad(MAR) → MAR：打开MDR和MAR的控制门，将形式地址送到MAR。
(MAR) → AB → M：打开MAR送到地址主线的输出门。
1 → R：CU 通过控制总线向主存发出读命令。
M(MAR) → MDR：主存通过数据总线，将MAR中地址所对应的存储单元的内容(有效地址)送到MDR。

3. 执行周期（Execution Cycle）

执行周期是实际进行运算的过程。对于加法指令，它的任务是执行加法操作，并将结果存储回目的寄存器或内存。微操作如下：

MDR → MAR：将有效地址送到MAR。
(MAR) → AB → M：打开MAR送往地址总线的输出门。
1 → R：CU通过控制总线向主存发出读命令。
M(MAR) → DB → MDR：将操作数存入MDR。
C6,C7同时有效：打开ACC和MDR链接ALU的控制门。
ACC + MDR → ACC：打开ALU通往ACC的控制门，存入计算结果。

执行加法指令的微操作过程可总结为：

取指周期：从内存中取出指令，并更新PC。
间址周期：计算操作数的地址，并从内存中读取操作数。
执行周期：执行加法操作，并将结果存储到目标寄存器。

内部总线结构

1. 取指周期（Instruction Fetch Cycle）

在取指周期中，主要任务是从内存中获取当前要执行的指令，并更新程序计数器（PC）。通过内部总线将各个模块连接在一起以进行数据传输。

PC → MAR：程序计数器（PC）的内容送到内存地址寄存器（MAR），确定当前要获取的指令的内存地址。
1 → R：CU发出 "R"(读指令),
M(MAR) → MDR：主存通过数据总线根据MAR中的地址所对应的存储单元中的内容(指令)送入MDR。
MDR → IR：内存数据寄存器（MDR）中的数据（即当前的指令）通过总线传送到指令寄存器（IR）中。
PC + 1 → PC：程序计数器（PC）自增，为下一条指令准备地址。
数据通过总线从PC传送到MAR，再从内存（通过MDR）传送到IR，最后更新PC指向下一条指令。总线在整个过程中充当着数据传输的媒介。

2. 间址周期（Address Calculation Cycle）

间址周期的任务是从指令中提取操作数的地址，并从内存中读取操作数。指令可能包含一个操作数地址，需要通过间址周期进行地址计算和数据获取。对于ADD R1, M，这里的M是内存地址。

Ad(MAR) → MAR：将指令的形式地址经内部总线送至MAR。
1 → R：C通过控制总线向主存发出读命令
M(MAR) → MDR：主存通过数据总线，将MAR中地址所对应的存储单元的内容(有效地址)送到MDR。
MDR → A：将内存数据寄存器（MDR）中的数据（即 M 的值）传送到寄存器A（临时寄存器，用于存放操作数）。

3. 执行周期（Execution Cycle）

执行周期是指令执行的核心部分，主要任务是通过ALU进行加法运算，并将结果存储到目标寄存器中。对于 ADD R1, M，目标是将内存 M 的值加到寄存器 R1 的值上。

(MDR)→ MAR：将有效地址经内部总线送至 MAR。
1→R：CU通过控制总线向主存发出读命令(R)。
M(MAR)→ MDR：主存通过数据总线，将 MAR 中地址所对应存储单元的内容(数据)送至 MDR。
(MDR)→Y：将操作数送至奇存器Y，直接作为 ALU 的一个输入。
ACC + Y → Z：CU 向 ALU发出“ADD"加法指令的控制信号，完成 ACC和 MDR 内容的相加得到的结果直接送往寄存器 Z。
Z → ACC：结果写入ACC。

比较：

特性

内部总线结构（Bus-Based Architecture）

专用数据通路（Dedicated Data Path Architecture）

带宽和延迟

带宽较低，延迟较高，因为总线是共享资源

带宽较高，延迟较低，避免了总线瓶颈

硬件资源消耗

硬件资源节约，减少了布线和硬件复杂性

需要大量的硬件资源，为每个操作设计专用通路

灵活性

灵活性高，适合扩展和变更

灵活性差，设计固定，扩展困难

系统扩展性

扩展性好，容易增加新组件

扩展困难，增加新组件需要重新设计硬件

并行性

并行性较差，多个组件访问总线时会造成冲突

高并行性，可以同时处理多个数据流

复杂性和维护

设计较简单，维护较容易

设计和维护较复杂，需要更多的工程资源

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计算机组成原理的学习笔记(9)--CPU·其一 CPU的基本概念流水线技术数据通路

1. 组成

定义：计算机的核心部件，负责执行指令和处理数据。
组成部分：
- 核心：多个处理单元，提升多任务处理能力。
- 控制单元（CU）：解码指令并协调各组件运作。
- 算术逻辑单元（ALU）：执行算术和逻辑运算。
- 寄存器：临时存储器，用于存放数据和指令。
- 缓存（Cache）：提高数据访问速度，减少对主存的访问。包括L1、L2、L3缓存。
- 总线接口单元：负责与外部设备或内存交换数据。

2. 时钟周期

定义：计算机内部时钟信号完成一次周期所需的时间。
频率：时钟频率以赫兹（Hz）为单位，表示每秒电路振荡的次数。
时钟周期与指令周期的关系：时钟周期决定了CPU每个操作的速度，而指令周期是完成一条指令所需的时间。不同的指令可能需要不同数量的时钟周期来完成。
影响性能的因素：
- 高频率通常意味着短的时钟周期，但也可能导致功耗和热量增加，影响稳定性。
时钟频率并不是唯一决定CPU性能的因素，还需要考虑指令集架构、缓存等因素。

3. 机器周期

定义：CPU完成一次基本操作所需的时间。
与时钟周期的关系：一个机器周期通常由多个时钟周期组成，具体依赖于CPU的架构和指令复杂度。
机器周期的组成：
- 一个机器周期通常包括取指周期、间址周期（地址计算）和执行周期。不同类型的操作可能需要不同的机器周期。

4. 指令周期

定义：执行一条指令所需的总时间，常由多个机器周期组成。
主要阶段：
- 取指（Fetch）：从内存中读取指令。
- 解码（Decode）：将指令解析为控制信号，准备执行。
- 执行（Execute）：根据指令执行相应的算术或逻辑运算，或进行数据传输。
- 访存（Memory Access）：如果指令涉及内存操作（如读取或写入数据），则进行访存。
- 写回（Write-back）：将运算结果写回寄存器或内存。

5. 流水线技术

定义：将指令的执行过程分解为多个阶段，允许同时处理多条指令。
优势：提高指令吞吐量，优化资源利用，减少空闲时间。
流水线分段：流水线通常包括多个阶段，如取指、解码、执行、访存、写回等。
流水线的深度：流水线的阶段越多，每个阶段的任务越简单，但也可能带来更多的冒险问题。
冒险问题：
- 数据冒险：指令之间的数据依赖造成的冲突。可以通过数据转发或流水线停顿来解决。
- 控制冒险：由分支指令引起的指令流不确定性。通过分支预测和延迟槽来优化。
- 结构冒险：由于资源不足引起的冲突。通过增加硬件资源（如多个执行单元）来缓解。

6. 超标量技术

定义：允许在一个时钟周期内同时发射多条指令的处理器架构。
特点：
- 多个执行单元并行处理指令，提高处理效率。
- 动态调度：处理器通过动态调度（如乱序执行）来提高指令吞吐量，尽可能利用空闲的执行单元。
- 指令发射：多个指令同时发射到不同的执行单元，减少了CPU的空闲时间。
- 复杂的调度机制：通过硬件或者编译器技术，处理器可以动态安排指令执行，优化指令间的空闲时间。

7. 超流水线技术

定义：将执行过程中的每个阶段进一步细分，以增加流水线的阶段数量。
优化目标：通过细化每个阶段的操作，使得每个阶段执行的任务更简单，从而提高流水线的吞吐量。
挑战：虽然细化阶段可以提高吞吐量，但也可能增加指令之间的延迟，尤其是在增加了很多分支预测和指令重排的情况下。

8. 超长指令技术

定义：将多个操作合并为一个长指令字，允许并行执行多个操作。
VLIW（超长指令字）：通过将多个操作（如加法、乘法、数据传输等）打包成一个超长指令，在硬件上进行并行执行，指令调度通常由编译器完成，而非硬件。
特点：
- 编译器在编译时负责指令调度。
- 每条指令包含多个操作，可以在多个执行单元中并行执行。
- 增加了编译器的复杂性，但可以有效提高处理器性能。

9. 数据通路

定义：用于数据传输与处理的硬件部分，是执行指令的基础。
组成：
- 寄存器、算术逻辑单元（ALU）、多路复用器（MUX）、数据总线。
工作流程：在各个阶段中，负责从寄存器读取，执行操作，和存储结果。

专用数据通路

1. 取指周期（Instruction Fetch Cycle）

取指周期的任务是从内存中获取指令并加载到指令寄存器（IR）。在这一周期内，处理器执行以下微操作：

PC → MAR：程序计数器（PC）的内容送到内存地址寄存器（MAR），以便确定当前要取指令的内存地址。
(MAR) → M：打开MAR送到地址总线的输出门。
1 → R：CU通过控制总线向主存发出读命令。
M(MAR) → MDR：主存通过数据总线根据MAR中的地址所对应的存储单元中的内容(指令)送入MDR。
MDR → IR：打开控制门，将内存数据寄存器（MDR）中的数据（即指令）送到指令寄存器（IR）中。
OP(IR) → CU：打开指令操作码送往CU的输出门。
PC + 1 → PC：程序计数器（PC）自增，准备下一条指令的地址。

2. 间址周期（Address Calculation Cycle）

Ad(MAR) → MAR：打开MDR和MAR的控制门，将形式地址送到MAR。
(MAR) → AB → M：打开MAR送到地址主线的输出门。
1 → R：CU 通过控制总线向主存发出读命令。
M(MAR) → MDR：主存通过数据总线，将MAR中地址所对应的存储单元的内容(有效地址)送到MDR。

3. 执行周期（Execution Cycle）

执行周期是实际进行运算的过程。对于加法指令，它的任务是执行加法操作，并将结果存储回目的寄存器或内存。微操作如下：

MDR → MAR：将有效地址送到MAR。
(MAR) → AB → M：打开MAR送往地址总线的输出门。
1 → R：CU通过控制总线向主存发出读命令。
M(MAR) → DB → MDR：将操作数存入MDR。
C6,C7同时有效：打开ACC和MDR链接ALU的控制门。
ACC + MDR → ACC：打开ALU通往ACC的控制门，存入计算结果。

执行加法指令的微操作过程可总结为：

取指周期：从内存中取出指令，并更新PC。
间址周期：计算操作数的地址，并从内存中读取操作数。
执行周期：执行加法操作，并将结果存储到目标寄存器。

内部总线结构

1. 取指周期（Instruction Fetch Cycle）

在取指周期中，主要任务是从内存中获取当前要执行的指令，并更新程序计数器（PC）。通过内部总线将各个模块连接在一起以进行数据传输。

PC → MAR：程序计数器（PC）的内容送到内存地址寄存器（MAR），确定当前要获取的指令的内存地址。
1 → R：CU发出 "R"(读指令),
M(MAR) → MDR：主存通过数据总线根据MAR中的地址所对应的存储单元中的内容(指令)送入MDR。
MDR → IR：内存数据寄存器（MDR）中的数据（即当前的指令）通过总线传送到指令寄存器（IR）中。
PC + 1 → PC：程序计数器（PC）自增，为下一条指令准备地址。
数据通过总线从PC传送到MAR，再从内存（通过MDR）传送到IR，最后更新PC指向下一条指令。总线在整个过程中充当着数据传输的媒介。

2. 间址周期（Address Calculation Cycle）

Ad(MAR) → MAR：将指令的形式地址经内部总线送至MAR。
1 → R：C通过控制总线向主存发出读命令
M(MAR) → MDR：主存通过数据总线，将MAR中地址所对应的存储单元的内容(有效地址)送到MDR。
MDR → A：将内存数据寄存器（MDR）中的数据（即 M 的值）传送到寄存器A（临时寄存器，用于存放操作数）。

3. 执行周期（Execution Cycle）

(MDR)→ MAR：将有效地址经内部总线送至 MAR。
1→R：CU通过控制总线向主存发出读命令(R)。
M(MAR)→ MDR：主存通过数据总线，将 MAR 中地址所对应存储单元的内容(数据)送至 MDR。
(MDR)→Y：将操作数送至奇存器Y，直接作为 ALU 的一个输入。
ACC + Y → Z：CU 向 ALU发出“ADD"加法指令的控制信号，完成 ACC和 MDR 内容的相加得到的结果直接送往寄存器 Z。
Z → ACC：结果写入ACC。

比较：

特性

内部总线结构（Bus-Based Architecture）

专用数据通路（Dedicated Data Path Architecture）

带宽和延迟

带宽较低，延迟较高，因为总线是共享资源

带宽较高，延迟较低，避免了总线瓶颈

硬件资源消耗

硬件资源节约，减少了布线和硬件复杂性

需要大量的硬件资源，为每个操作设计专用通路

灵活性

灵活性高，适合扩展和变更

灵活性差，设计固定，扩展困难

系统扩展性

扩展性好，容易增加新组件

扩展困难，增加新组件需要重新设计硬件

并行性

并行性较差，多个组件访问总线时会造成冲突

高并行性，可以同时处理多个数据流

复杂性和维护

设计较简单，维护较容易

设计和维护较复杂，需要更多的工程资源

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