『计算机的组成与设计』-处理器
程序必须首先让人类可以理解，然后顺便让机器能执行。
前面几篇我们说过，一台计算机的性能有三个关键因素决定: 指令数目，时钟周期长度和每条指令所需要的时钟周期数 CPI。
编译器和指令集决定了一个程序所需的指令数目，而处理器则决定了时钟周期长度和 CPI。
本篇通过一个基本 MIPS 实现，来了解实现一个处理器所需要的原理和技术。
基本 MIPS 实现
- 访存指令: lw 和 sw
- 运算指令: add，sub，AND，OR 和 slt
- 分支指令: beq 和 j
实现方式概述
通过之前几篇的叙述，我们知道要实现的这几个简单指令的实现过程大致相同，与具体指令无关。
实现每条指令的前两步是一样的:
- 程序计数器(PC)指向指令所在的储存单元，从中取出指令。
- 通过指令，读取一个或两个寄存器。对于取字指令，只需读取一个寄存器，其他大多数指令需要读取两个寄存器。
这两步之后的步骤取决于具体的指令类型，详见建立数据通路的基本原则
处理器的设计步骤
- 分析指令系统，得出对数据通路的需求
- 为数据通路选择合适的组件
- 连接组件建立数据通路
- 分析每条指令的实现，以确定控制信号
- 集成控制信号，形成完整的控制逻辑
指令的含义
指令位域的分解
对于R型指令，可以分为 6 个位域。最高的 6bit 称为操作码，接下来三个位域都是 5 个 bit，标识寄存器，接下来一个 5bit，用来标识移位。最后 6bit 是功能位域。
I型指令，可分解 3 个位域。最高的 6bit 称为操作码，接下来两个个位域都是 5 个 bit，标识寄存器，最后 16bit 是立即数位域。
指令系统的需求
- 算术逻辑单元(ALU)
- 算术类型: 加，减，或，比较等
- 操作数: 2 个 32 位的数，来自寄存器或扩展后的立即数
- 立即数扩展部件
- 将一个 16 位的立即数扩展为 32 位
- 扩展方式: 0 扩展，符号扩展
- 程序计数器(PC)
- 1 个 32 位寄存器
- 支持两种加法: 加 4 或加一个立即数
- 寄存器堆(两读一写寄存器堆，register file)
- 每个寄存器为 32 位宽，共 32 个
- 支持读操作: rs 或 rt
- 支持写操作: rd 或 rt
- 存储器(对应 CPU 内部的 cache 而不是整个计算机的 memory)
- 1 个只读的指令存储器，地址和数据均是 32 位
- 1 个可读写的数据存储器，地址和数据均是 32 位
建立数据通路的基本原则
根据指令需求，连接组件，建立数据通路
指令需求分为:
- 所有指令的共同需求
- 不同指令的不同需求
所有指令的共同需求
- 取指令
- PC 的内容就是指令的地址
- 用 PC 的内容作为地址，访问指令存储器获取指令编码
- 更新 PC
- 顺序执行: PC = PC + 4
- 发生分支: PC = 分支目标地址
不同指令的不同需求
流水线(pipelining)
流水线是一种实现多条指令重叠执行的技术。
流水线的奇妙之处在于，当处理多个任务的时候，每个任务的总处理时间并没有缩短，但所有的工作都在并行进行，因此，单位时间能够完成的工作量就大大增加了。流水线实际改善了吞吐率。如果所有的步骤所需的时间一样，那么从流水线得到的速度提高倍数等于流水线中步骤的数目。