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Chapter2 处理器设计导论⚓︎

约 1728 个字 预计阅读时间 9 分钟

生日快乐

一个简单的处理器可由以下结构构成

  • 算术逻辑单元（ALU）；
  • 控制逻辑（Control Logic）；
  • 寄存器（Register）（PC, IR, ACC）

MU0-一个简单的处理器⚓︎

MU0 是曼彻斯特大学基于上述设计开发的第一类机器，常用于教学。

流水线⚓︎

流水线的典型步骤如下：

1)从存储器读取指令 (fetch)

2)译码以鉴别它是哪一类指令 (dec)。

3)从寄存器堆取得所需的操作数 (reg)

4)将操作数进行组合以得到结果或存储器地址 (ALU)

5)如果需要, 则访问存储器以存取数据 (mem)。

6)将结果回写到寄存器堆 (res)

Tip

流水线的冒险会影响流水线的效率。因此有规定，流水线要求：指令执行步骤一致、指令集长度固定、没有转移指令，一般 3—5 级为好

精简指令集计算机⚓︎

（Reduced Instruction Set Computer）

RISC 体系结构：

  • 固定的指令长度（32 位），指令类型很少；
  • Load-Store 结构，数据处理只访问寄存器，与访问存储器的指令分开；
  • 大量的寄存器，不少于 32 个。可以用于任何用途；

RISC 组织：

  • 硬连线的指令译码逻辑；
  • 流水线执行；
  • 指令单周期执行；
  • 较高的时钟频率；

RISC 优点：面积小、开发快、性能高 RISC 缺点：代码密度低（指令长度固定，单周期导致代码无用部分多，在 ARM 中采用 16 位 Thumb 代码弥补）

小结⚓︎

特性 CISC RISC
价格 由硬件完成部分软件功能，硬件复杂性增加，芯片成本高 由软件完成部分硬件功能，软件复杂性增加，芯片成本低
性能 减少代码尺寸，增加指令的执行周期数 使用流水线降低指令的执行周期数，增加代码尺寸
指令集 大量的混杂型指令集，有简单快速的指令，也有复杂的多周期指令，符合 HLL 简单的单周期指令，在汇编指令方面有相应的 CISC 微代码指令
高级语言支持 硬件完成 软件完成
寻址模式 复杂的寻址模式，支持内存到内存寻址 简单的寻址模式，仅允许 LOAD 和 STORE 指令存取内存，其它所有的操作都基于寄存器到寄存器
控制单元 微码 直接执行
寄存器数目 寄存器较少 寄存器较多

慕迟离

另⚓︎

Chapter1. 处理器体系结构和组织⚓︎

计算机系统 = 软件 + 硬件/固件
体系结构描述从用户角度看到的计算机，即概念性结构与功能特性。

是否把指令和数据放在同一存储器中？

优点：

  • 不必预先区分指令和数据，易实现存储管理软件；
  • 程序和指令在执行过程中可以被修改，因而可以编写出灵活的可修改的程序；
  • 对于存取指令和数据仅需一套读/写和寻址电路，硬件简单；
  • 数据可以分配于任何可用空间，从而可更有效地利用存储空间等。

缺点：

  • 不利于进行程序调试诊断；
  • 不利于实现程序的可再入性和程序的递归调用；
  • 不利于重叠和流水方式的操作。

现在绝大多数计算机都规定，在执行进程中不准修改程序。

Chapter2. 简单处理器设计介绍-MU0⚓︎

采用冯·诺伊曼结构，指令存储在外部存储器中，I/O 模块提供对外接口，MPU、存储器、I/O 模块之间通过处理器总线（数据、地址、控制）相连。

MPU 包括： - 算术逻辑单元（ALU）； - 控制逻辑（Control Logic）； - 寄存器（Register）（PC, IR, ACC）

执行程序步骤： 取值（存储器）→ 译码（MPU）→ 取操作数（存储器）→ 执行

指令集： 12 位地址空间、16 位数据总线（指令长度可达 16 位 4 操作+12 地址）

每条指令占用的周期数由访问存储器的次数决定

指令一般包括：操作码与操作数

Chapter3. 指令集设计与流水线⚓︎

指令地址（相加为例）：

  • 四地址
  • 三地址：下一条指令地址为隐含的（ARM 指令集采用）
  • 二地址：一个源操作数用作目标寄存器
  • 一地址：将目的寄存器隐含
  • 零地址：堆栈

寻址模式： 立即寻址、绝对寻址、间接寻址、寄存器寻址、寄存器间接寻址、基址偏移寻址、基址变址寻址、基址比例变址寻址、堆栈寻址

指令类型： 数据处理指令（使用率最高）、数据传送指令、控制流指令、控制处理器执行状态的特殊指令

让处理器运行更快： 流水线技术、高速缓存、超标量指令执行

流水线典型步骤： 取指令译码 → 取操作数 → 操作数进行组合 → 访问存储器 → 回写

流水线要求： 指令执行步骤一致、指令集长度固定、没有转移指令，一般 3—5 级为好

Chapter4. RISC VS CISC⚓︎

RISC 体系结构：

  • 固定的指令长度（32 位），指令类型很少；
  • Load-Store 结构，数据处理只访问寄存器，与访问存储器的指令分开；
  • 大量的寄存器，不少于 32 个。可以用于任何用途；

RISC 组织：

  • 硬连线的指令译码逻辑；
  • 流水线执行；
  • 指令单周期执行；
  • 较高的时钟频率；

RISC 优点：面积小、开发快、性能高
RISC 缺点：代码密度低（指令长度固定，单周期导致代码无用部分多，在 ARM 中采用 16 位 Thumb 代码弥补）

CISC 整体反之： 昂贵、代码尺寸小（周期多）、大量混杂型指令集、寻址模式复杂等。

特性 CISC RISC
价格 由硬件完成部分软件功能，硬件复杂性增加，芯片成本高 由软件完成部分硬件功能，软件复杂性增加，芯片成本低
性能 减少代码尺寸，增加指令的执行周期数 使用流水线降低指令的执行周期数，增加代码尺寸
指令集 大量的混杂型指令集，有简单快速的指令，也有复杂的多周期指令，符合 HLL 简单的单周期指令，在汇编指令方面有相应的 CISC 微代码指令
高级语言支持 硬件完成 软件完成
寻址模式 复杂的寻址模式，支持内存到内存寻址 简单的寻址模式，仅允许 LOAD 和 STORE 指令存取内存，其它所有的操作都基于寄存器到寄存器
控制单元 微码 直接执行
寄存器数目 寄存器较少 寄存器较多