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处理器体系结构

指令集体系结构​

基本术语​

指令​
  • 一个或多个字节序列组成的二进制序列；
  • 控制处理器行为；
指令集体系结构 (ISA)​
  • 处理器支持的指令；
  • 指令的字节级编码；

可见状态​

  • 程序寄存器：存储 64 位的字；
  • 条件码 CC：存储算术和逻辑信息；
  • 程序计数器 PC：当前执行指令的地址；
  • 内存：存储程序和数据；
  • 状态码 Stat：程序执行的总体状态信息；

逻辑设计和硬件空间语言 HCL​

逻辑门​

  • 数字电路的基本单元；
  • 根据输入位的布尔函数参数输出；
    • 与/或/非；

逻辑门

组合电路和 HCL 布尔表达式​

组合电路​
  • 多个逻辑门组合成一个网；

组合电路

多路复用器​
  • 根据输入控制信号的值；
  • 从一组不同的数据信号中进行选择；
HCL 布尔表达式​
  • 表示组合电路的布尔表达式；
(a && !a) && func(b,c)

字级的组合电路和 HCL 整数表达式​

字级的组合电路​
  • 对 "字" 进行操作的电路；

字级的组合电路

HCL 整数表达式​
  • 表示字级的组合电路的布尔表达式；
word Out4 = [
    !s1 && !sO : A; # 00
    !s1  : B; # 01
    !s0  : C; # 10
    1    : D; # 11
];

算术/逻辑单元(ALU)​

  • 进行算术运算和逻辑运算的组合电路；

算术/逻辑单元(ALU)

存储器和时钟​

时序电路​
  • 具有状态的组合电路；
时钟​
  • 周期性信号；
  • 控制 PC，CC，内存；
  • 每个时钟周期，程序计数器便会装载新的指令；
寄存器的差异​
  • 机器语言：可寻址的字，存储在寄存器文件中；
  • 硬件：组合电路的一部分，存储电路状态信息；
寄存器文件​
  • 存储机器寄存器；
  • 读端口 + 写端口；
  • 使用时钟控制读写；

寄存器文件

顺序实现​

处理指令​

  • 取指：在内存中读取指令字节；
  • 译码：从寄存器文件读取操作数，用于指令；
  • 执行：ALU 执行指令对应操作；
  • 访存：读写内存；
  • 写回：写入结果值寄存器文件；
  • 更新：程序计数器更新地址；

时序​

  • 通过时钟控制处理器处理指令的操作顺序和时间间隔；

流水线的通用原理​

优劣势​

  • 优势：提高系统吞吐量；
  • 劣势：增加延迟；
    • 流水线寄存器的开销；

计算流水线​

延迟​
  • 执行一条指令的时间；
吞吐量​
  • 延迟的倒数；
非流水线化​
  • 一次计算执行完所有阶段后才进行下一次计算；

非流水线

流水线化​
  • 将一次计算分为若干阶段，使用寄存器存储临时变量；
  • 每经过一个时钟周期，一个指令离开阶段 A，进入阶段 B，一个新指令进入阶段 A；

流水线化

流水线的局限性​

不一致的划分​
  • 时钟周期取决于流水线中最慢的阶段；
  • 导致其他阶段空闲若干时间；

不一致的划分

流水线过深​
  • 流水线过深；
  • 流水线增加的寄存器开销大；

流水线过深

CPU 调度​

常见 CPU 调度算法​

  • 先到先服务；
  • 最短作业优先：优先执行最短的进程；
  • 优先级调度：优先执行高优先级的进程；
  • 轮转法调度；
    • cpu 时间划分为若干片段；
    • 每个进程分配一个片段；
    • 类似于多路访问中的时频划分；