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【计算机组成原理期末总预习-自顶向下方法】第4-6章 指令系统，CPU，流水线

发布时间 2023-06-11 22:10:52作者: _vv123

第4-6章 指令系统，CPU，流水线

一、指令系统设计

  1. 指令结构与设计思想

    • 操作码：指定操作类型 (操作码长度：固定／可变)

    • 源操作数或其地址：一个或多个源操作数所在的地址 (操作数来源：主(虚)存/寄存器/I/O端口/指令本身）

    • 结果的地址：产生的结果存放何处（目的操作数） (结果地址：主(虚)存/寄存器/I/O端口)

    • 下一条指令地址：下条指令存放何处(下条指令地址 ：主(虚)存的地址) (正常情况隐含在PC中，改变顺序时由指令给出）

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    • 指令格式设计的几个基本原则

      • 应尽量短

      • 要有足够的操作码位数

      • 指令编码必须有唯一的解释，否则是不合法的指令

      • 指令字长应是字节的整数倍

      • 合理地选择地址字段的个数

      • 指令尽量规整

  2. 寻址

    • 概念：指令或操作数地址的指定方式。

    • 指令中的地址码编码由操作数的寻址方式决定

    • 地址码编码的三个原则：

      • 地址码尽量短
      • 操作数存放位置灵活，空间应尽量大
      • 地址计算过程尽量简单

    • 指令的寻址方式----简单

      • 顺序执行：PC增值
      • 跳转 ( jump / branch / call / return )：与操作数的某些寻址方式相同

    • 操作数的寻址方式----复杂（想象一下高级语言程序中操作数情况多复杂）

      • 操作数来源：寄存器 / 主(虚)存 /外设端口 / 栈顶
      • 操作数结构：位 / 字节 / 半字 / 字 / 双字 / 一维表 / 二维表 /…

    • 通常寻址方式特指“操作数的寻址”

    • 八种寻址方式

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    • 偏移寻址

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      • 相对寻址：指令地址码给出一个偏移量(带符号数)，基准地址隐含由PC给出。
        即：EA=(PC)+A （ex. MIPS’s instruction: Beq）
        可用来实现程序(公共子程序)的浮动 或 指定转移目标地址
        注意：当前PC的值可以是正在执行指令的地址或下条指令的地址

      • 基址寻址：指令地址码给出一个偏移量，基准地址明显或隐含由基址寄存器B给出。即：EA=(B)+A （ex. MIPS’s instructions: lw / sw）
        可用来实现多道程序重定位 或 过程调用中参数的访问

      • 变址寻址：指令地址码给出一个基准地址，而偏移量(无符号数)明显或隐含由变址寄存器 I 给出。

        即：EA=(I)+A
        可为循环重复操作提供一种高效机制，如实现对线性表的方便操作。

      • 自动变址：指令中的地址码A给定数组首址，变址器I每次自动加/减数组元素的长度x。
        EA=( I )+A I=( I ) ± x
        例如，X86中的串操作指令
        RISC机器不提供自动变址寻址，并将变址和基址寻址统一成一种偏移寻址方式。

  3. 操作码编码

    • 操作码的编码的两种方式

      • Fixed Length Opcodes (定长操作码编码)

        • 指令的操作码部分采用固定长度的编码
        • 例如：设操作码固定为6位，则系统最多可表示64种指令
        • 特点：译码方便，但可能有信息冗余。

      • Expanding Opcodes (扩展操作码编码,也叫变长操作码编码)

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    • 选择依据

      • 代码长度更重要时：采用变长指令字、变长操作码
      • 性能更重要时：采用定长指令字、定长操作码
      • 变长指令字和变长操作码使机器代码更紧凑；定长指令字和定长操作码便于快速访问和译码。

  4. 条件测试方式

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    • 无符号数A-B>0的条件：ZF=0 && CF = 0
    • 有符号数A-B>0的条件：ZF=0 && SF = OF
      • 如果OF=0,显然应该有SF=0
      • 如果OF=1,只能是上溢出，此时有SF=1

  5. 指令系统设计风格

    • 操作数指定方式

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    • 复杂指令集计算机CISC与精简指令集计算机RISC

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二、程序的机器级表示 ：MIPS

  1. MIPS指令格式

    • 所有指令都是32位宽（字长）

    • 按字地址对齐存储，字地址为4的倍数

    • 有R型、I型和J型三种指令格式

      • R型指令

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      • I型指令

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      • J型指令

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  2. 寻址方式

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  3. 掌握MIPS计算机的R型、I型和J型三种指令格式。

（1）清楚RR型指令、移位指令、寄存器跳转指令三种类型指令格式的区别和特点；R型指令采用了什么寻址方式？

（2）I型指令可能会出现寄存器寻址、立即数寻址、相对寻址和偏移寻址（基址或变址）几种寻址方式，这些寻址方式在每条指令都会出现吗？I型指令有哪些类型的指令？（双目运算、分支、存储访问），掌握分支型和存储访问型指令的地址形成方法、双目运算型指令中对立即数的扩展方法。

（3）J型指令中会出现哪些寻址方式？掌握J和Jal两条指令的功能

  1. 汇编与反汇编

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  2. 高级语言语句的汇编指令表示

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三、单周期数据通路的设计

  1. 数据通路

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  2. 操作元件

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  3. 存储元件

    • 特点：具有存储功能，在时钟控制下输入被写到电路中，直到下个时钟到达。输入端状态由时钟决定何时被写入，输出端状态随时可以读出。

    • 定时方式：边沿触发。在时钟上升/下降沿读写。

    • Setup/Hold/Clock-to-Q

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    • 分类：

      • 寄存器(组)

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      • 理想存储器

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  4. 时序控制

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  5. 总线式数据通路

    • 单总线

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    • 三总线

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  6. 单周期MIPS处理器数据通路

    • 设计步骤

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    • 取值部件

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    • R型指令

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    • I型指令

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    • lw指令

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    • sw指令

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    • B型指令

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    • 下地址部件

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    • J型指令

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    • 完整数据通路

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    • 关键路径

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    熟练掌握课件中的最基本的7条指令执行时数据通路中信息的流动过程，以及在取指令部件中的信息处理，包括元件的连接和所需要的各种控制信号的取值等。同时也能够在前述基本结构上扩展指定功能和格式的一些指令。

四、单周期控制器的设计

  1. 运算器的功能是如何控制的？

    • ALU局部控制器是为R型指令产生ALU的控制信号，其输入为func字段；
    • 主控制器产生非R型指令的所有控制信号，以及R型指令的除ALU控制信号外的其他控制信号，其输入为op字段；
    • 将主控制器产生的ALU控制信号与ALU局部控制器的输出信号通过一个多路选择器合并后作为最终的ALU控制信号。多路选择器的选择信号(R-Type)由主控制器产生。

  2. 掌握指令译码的基本原理，OP和func字段如何与指令功能对应？

    • R型指令：所有指令的op字段都为000000，各指令的func字段用来产生ALU的控制信号，决定执行的操作（加、减、逻辑与…），其它数据通路的控制信号各指令都相同（仅考虑三寄存器操作数）。
    • 其他类型指令：没有func字段，各指令的op字段不同，它产生包括ALU的所有数据通路的控制信号。

  3. 明白每个控制信号与指令译码的对应关系。

    • ALU控制信号

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    • 总表（附数据通路）

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      • RegDst: R型为rd，lw/ori为rt,不写寄存器不关心。
      • ALUSrc: R型为busB(Rb/rt), I型为立即数（ExtOP: ori 0拓展，lw/sw符号拓展）
      • MemtoReg:仅lw为1，add,sub,ori为0，其他为x。
      • RegWrite:add,sub,ori,lw为1，其他为0。
      • MemWrite：仅sw位1，其他为0。
      • Branch/Jump:仅beq/j为1，其他为0。

  4. 单周期CPU的周期长度是由什么指令、哪些因素决定的？

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  5. 通过分析每条指令的执行过程，明确所传输和处理的信息的流动路径，然后根据各个部件的延时（操作元件的延迟或存储元件的三个时间setup time、hold time和clock to Q time）算出指令执行所必需的最短时间。

    • give up

五、微程序控制原理

  1. 微程序控制器的基本思想和结构

    • 仿照程序设计的方法，编制每条指令对应的微程序

    • 每个微程序由若干条微指令构成，一条微指令包含若干个微命令

    • 所有指令对应的微程序放在只读存储器中，执行某条指令就是取出对应微程序中的各条微指令，对微指令译码产生对应的微命令(即控制信号)。

    • 这个只读存储器称为控制存储器（Control Storage），简称控存CS 。

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  2. 比较硬连线控制器和微程序控制器的优缺点。

    • 硬连线控制器
      • 优点：速度快，适合于简单或规整的指令系统，例如，MIPS指令集。
      • 缺点：设计周期长、繁琐、不灵活、不易修改和增删指令
    • 微程序控制器：简化设计、灵活、易修改、易维护，但速度慢。

  3. 指令、微程序、微指令、微命令、微操作它们之间的关系

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  4. 了解水平型微指令和垂直型微指令的概念

    • 水平型微指令

      • 基本思想：相容微命令尽量多地安排在一条微指令中。
      • 优点：微程序短，并行性高，适合于较高速度的场合。
      • 缺点：微指令长，编码空间利用率较低，并且编制困难。

    • 垂直型微指令

      • 基本思想：一条微指令只控制一、二个微命令。

      • 优点：微指令短，编码效率高，格式与机器指令类似，故编制容易。

      • 缺点：微程序长，一条微指令只能控制一、二个操作，无并行，速度慢。

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六、异常和中断处理

  1. 异常和中断（外部）的区别

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  2. *处理机制

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  3. 掌握计算机中对异常/中断的软件识别（MIPS计算机）和硬件识别这两种不同方式的基本过程。

    • 软件识别（MIPS采用）
      • 设置一个异常状态寄存器（MIPS中为Cause寄存器），用于记录异常原因。
      • 操作系统中有一个统一的异常处理程序，该程序按优先级顺序查询异常状态寄存器的各位，识别出异常事件。
      • 例如：MIPS中位于内核地址0x8000 0180处有一个专门的异常处理程序，用于检测异常的具体原因，然后转到内核中相应的异常处理程序段中进行具体的处理。
    • 硬件识别（向量中断）（80x86采用）
      • 用专门的硬件查询电路按优先级顺序识别异常，得到“中断类型号”，根据此号，到中断向量表中读取对应的中断服务程序的入口地址。

七、流水线数据通路和控制

  1. 单周期指令模型与流水模型的性能比较：

    • 单周期指令模型下时钟周期如何确定？

    • 流水模型下时钟周期如果确定？

    • 为什么流水线方式下单条指令执行时间不能缩短，但能大大提高指令吞吐率？

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  2. 具有哪些特征的指令集有利于流水线执行？（四个特征）

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  3. 能对常见的7条指令的各个流水阶段的划分及其所使用的功能部件情况进行分析。

    • give up

  4. 对于五阶段流水线数据通路，能分析7条指令执行时的各流水段寄存器存储了哪些信息。

八、流水线冒险处理

  1. 什么是流水线冒险，它分为哪些类型？

    • 在指令流水线中，当遇到某些情况使得流水线无法正确执行后续指令，而引起流水线阻塞或停顿，这个现象称为流水线冒险。
    • 根据引起冒险的原因不同，分为结构冒险、数据冒险和控制冒险三种。

  2. 结构冒险的现象是什么？如何处理结构冒险？

    • 一个部件同时被不同指令所用，即在使用硬件资源时发生了冲突。
    • 处理方法
      • 每个部件安排在特定的阶段使用
      • 将Instruction Memory (Im) 和 Data Memory (Dm)分开
      • 将寄存器读口和写口独立开来

  3. 数据冒险的现象是什么？对给出一个指令序列，能分析会在哪里产生了冒险现象。

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    • 后面指令用到前面指令结果时，前面指令的结果还没产生。

    • 解决方法

      • 方法1：硬件阻塞（stall）

        • 控制比较复杂，需要改数据通路；指令被延迟三个时钟执行。

      • 方法2：软件插入“NOP”指令

        • 浪费三条指令的空间和时间。好处是无需修改数据通路。

      • 方法3：同一周期内寄存器组先写后读

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      • 方法4：转发（Forwarding或Bypassing 旁路）技术（注意load-use需要一个nop)

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      • 方法5：编译优化--调整指令顺序（不能解决所有数据冒险）

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  4. 控制冒险的现象是什么？了解常见的四种处理方法。

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    • 解决

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