计算机组成与设计---硬件/软件接口---处理器

Posted 2021-08-11 FANCY PANDA

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了计算机组成与设计---硬件/软件接口---处理器相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

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4.1逻辑设计的一般方法

二进制信息编码

低电平= 0, 高电平= 1
一线一位
根据多条数据总线确定多位数据编码

组合部件

对数据操作
输出是输入的函数

状态（时序）部件

存储信息
寄存器：将数据存储在电路里
时钟信号决定数据更新时刻
边沿触发：当 Clk 从 0 变为 1时更新数据
带有写信号控制的寄存器
仅在时钟边沿且写控制信号为1时更新数据
在存储数据时使用

4.2建立数据通路

CPU中处理数据和地址的所有部件
- 寄存器，数逻运算单元，多选器，存储器等

取指令 在这里插入图片描述
寄存器型指令

读取两个寄存器操作数
执行算术/逻辑运算
将运算结果写入寄存器

读取/存储（ Load/Store ）指令

读寄存器操作数
用16位偏移量计算地址
- 使用ALU计算，偏移量需要进行符号扩展
读取（load）：从存储器读出数据并写入寄存器
存储（store）：将寄存器内容写入存储器

分支指令
例如指令：bne $ s0,$ s1,exit # go to exit if $s0 ≠ $s1
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读取寄存器操作数
比较两个操作数
- 使用ALU做减法，检查ALU的零输出信号
计算目标地址
- 符号扩展偏移量
- 左移2位(以字为单位的偏移量×4)
- 加到 PC + 4
- - 取指阶段已计算(下一条指令的地址)
    
    组成部件
第一段数据通路需要在一个时钟周期内完成一条指令
- 每个数据通路部件一次只能完成一个功能
- 所以指令和数据需要分开存储
多选器为不同指令选择不同的数据源

寄存器型/读取/存储三类指令数据通路合并
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4.3一个简单的实现机制

4.3.1 ALU控制

ALU用于
- 读取/存储：F=加法
- 分支：F=减法
- 寄存器型： F 由funct字段决定
假设2位ALUOp从操作码获得
- 组合逻辑得到ALU控制

4.3.2主控制单元的设计

指令中的控制信号

R-型（寄存器）操作举例

add $t0, $s1, $s2

4.3.3为什么不使用单周期实现方式

时钟周期由执行时间最长的指令决定
- 读取指令数据通路，使用5个功能单元
- 1指令存储器 2寄存器堆 3 ALU4 数据存储器 5 寄存器堆
不同指令使用不同的时钟周期是不可行的，因为时钟周期必须满足所有指令中最坏的情况。
违反设计原则
- 加速常用操作
可以通过流水线技术提高性能

4.4流水线概述

4.4.1面向流水线的指令集

5段，每段一步

IF: 从存储器读取指令
ID: 指令解码并读取寄存器
EX: 执行操作或计算地址
MEM: 访问存储器操作数
WB: 将结果写回寄存器

4.4.2流水线冒险

在下一个时钟周期中下一条指令不能执行的情形，称为冒险

结构冒险
- 需要的资源被占用
数据冒险
- 需要等待前面指令完成其数据读写操作
控制冒险
- 根据前面正在执行的指令决策控制操作

4.4.3对流水线概述的小结

流水线通过提高指令的吞吐率改进系统性能
- 并行执行多条指令
- 每条指令执行时间不变（相同延迟）
流水线设计者必须解决冒险
- 结构，数据，控制
指令集的设计影响流水线实现的复杂性

4.5流水线数据通路及其控制

4.5.1图形化表示的流水线

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例：指令流水线有取指（IF）、译码（ID）、执行（EX）、访存（MEM）、写回寄存器（WB）五个过程段，共有16条指令连续输入此流水线。
⑴画出流水处理的时空图，假设时钟周期为100ns
⑵求流水线的实际吞吐率（单位时间里执行完毕的指令数）
⑶求流水线的加速比

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答：

20条指令连续进入流水线时空图
流水线在20个时钟周期中执行完16条指令，故实际吞吐率为16/20×100ns=4/5×107条指令/S
k级流水线处理n个任务所需时钟周期数为 Tk=k+（n-1）
非流水线处理器处理n个任务所需时钟周期数为 Te=nk
k级流水线处理器的加速比为Ck=Te/Tk=nk/k+（n-1）代入已知数据n=20，k=5，Ck=20×5/5+19=100/24=4.16

4.5.2流水线控制

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4.6数据冒险:旁路与阻塞

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Load-Use 冒险检测

当运行指令在ID段解码时检查
给出ID段中的ALU 操作数寄存器号
- IF/ID.RegisterRs, IF/ID.RegisterRt
当出现以下情况时存在装载使用冒险
ID/EX.MemRead and ((ID/EX.RegisterRt = IF/ID.RegisterRs) or (ID/EX.RegisterRt = IF/ID.RegisterRt))
如果检测到，阻塞并插入气泡

怎样阻塞流水线

将ID/EX 寄存器中的控制变量的值置为0
- EX, MEM and WB 空操作
阻止更新 PC 和 IF/ID 寄存器中的值
- 将执行中的指令重新解码
- 再次取出后续指令
- 对lw指令阻塞1个周期后允许MEM读取数据
- - 接下来可以转到EX段

4.7控制冒险

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4.7.1 缩短分支的延迟

设置硬件将分支地址计算提前到 ID 段
目标地址加法器
寄存器比较器

例如:分支发生时的执行情况
36: sub $10, $4, $8
40: beq $1, $3, 7
44: and $12, $2, $5
48: or $13, $2, $6
52: add $14, $4, $2
56: slt $15, $6, $7
...
72: lw $4, 50($7)