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计算机组成原理的学习笔记(9)-- CPU·其一 CPU的基本概念/流水线技术/数据通路

news 来源：原创 2025/7/3 5:44:45

学习笔记

前言

​
本文主要是对于b站尚硅谷的计算机组成原理的学习笔记，仅用于学习交流。

CPU（中央处理器）

1. 组成

  • 定义：计算机的核心部件，负责执行指令和处理数据。

  • 组成部分：

    • 核心：多个处理单元，提升多任务处理能力。

    • 控制单元（CU）：解码指令并协调各组件运作。

    • 算术逻辑单元（ALU）：执行算术和逻辑运算。

    • 寄存器：临时存储器，用于存放数据和指令。

    • 缓存（Cache）：提高数据访问速度，减少对主存的访问。包括L1、L2、L3缓存。

    • 总线接口单元：负责与外部设备或内存交换数据。

2. 时钟周期

  • 定义：计算机内部时钟信号完成一次周期所需的时间。

  • 频率：时钟频率以赫兹（Hz）为单位，表示每秒电路振荡的次数。

  • 时钟周期与指令周期的关系：时钟周期决定了CPU每个操作的速度，而指令周期是完成一条指令所需的时间。不同的指令可能需要不同数量的时钟周期来完成。

  • 影响性能的因素：

    • 高频率通常意味着短的时钟周期，但也可能导致功耗和热量增加，影响稳定性。

    • 时钟频率并不是唯一决定CPU性能的因素，还需要考虑指令集架构、缓存等因素。

3. 机器周期

  • 定义：CPU完成一次基本操作所需的时间。

  • 与时钟周期的关系：一个机器周期通常由多个时钟周期组成，具体依赖于CPU的架构和指令复杂度。

  • 机器周期的组成：

    • 一个机器周期通常包括取指周期、间址周期（地址计算）和执行周期。不同类型的操作可能需要不同的机器周期。

4. 指令周期

  • 定义：执行一条指令所需的总时间，常由多个机器周期组成。

  • 主要阶段：

    • 取指（Fetch）：从内存中读取指令。

    • 解码（Decode）：将指令解析为控制信号，准备执行。

    • 执行（Execute）：根据指令执行相应的算术或逻辑运算，或进行数据传输。

    • 访存（Memory Access）：如果指令涉及内存操作（如读取或写入数据），则进行访存。

    • 写回（Write-back）：将运算结果写回寄存器或内存。

5. 流水线技术

  • 定义：将指令的执行过程分解为多个阶段，允许同时处理多条指令。

  • 优势：提高指令吞吐量，优化资源利用，减少空闲时间。

  • 流水线分段：流水线通常包括多个阶段，如取指、解码、执行、访存、写回等。

  • 流水线的深度：流水线的阶段越多，每个阶段的任务越简单，但也可能带来更多的冒险问题。

  • 冒险问题：

    • 数据冒险：指令之间的数据依赖造成的冲突。可以通过数据转发或流水线停顿来解决。

    • 控制冒险：由分支指令引起的指令流不确定性。通过分支预测和延迟槽来优化。

    • 结构冒险：由于资源不足引起的冲突。通过增加硬件资源（如多个执行单元）来缓解。

6. 超标量技术

  • 定义：允许在一个时钟周期内同时发射多条指令的处理器架构。

  • 特点：

    • 多个执行单元并行处理指令，提高处理效率。

    • 动态调度：处理器通过动态调度（如乱序执行）来提高指令吞吐量，尽可能利用空闲的执行单元。

    • 指令发射：多个指令同时发射到不同的执行单元，减少了CPU的空闲时间。

    • 复杂的调度机制：通过硬件或者编译器技术，处理器可以动态安排指令执行，优化指令间的空闲时间。

7. 超流水线技术

  • 定义：将执行过程中的每个阶段进一步细分，以增加流水线的阶段数量。

  • 优化目标：通过细化每个阶段的操作，使得每个阶段执行的任务更简单，从而提高流水线的吞吐量。

  • 挑战：虽然细化阶段可以提高吞吐量，但也可能增加指令之间的延迟，尤其是在增加了很多分支预测和指令重排的情况下。

8. 超长指令技术

  • 定义：将多个操作合并为一个长指令字，允许并行执行多个操作。

  • VLIW（超长指令字）：通过将多个操作（如加法、乘法、数据传输等）打包成一个超长指令，在硬件上进行并行执行，指令调度通常由编译器完成，而非硬件。

  • 特点：

    • 编译器在编译时负责指令调度。

    • 每条指令包含多个操作，可以在多个执行单元中并行执行。

    • 增加了编译器的复杂性，但可以有效提高处理器性能。

9. 数据通路

  • 定义：用于数据传输与处理的硬件部分，是执行指令的基础。

  • 组成：

    • 寄存器、算术逻辑单元（ALU）、多路复用器（MUX）、数据总线。

  • 工作流程：在各个阶段中，负责从寄存器读取，执行操作，和存储结果。

专用数据通路
1. 取指周期（Instruction Fetch Cycle）

取指周期的任务是从内存中获取指令并加载到指令寄存器（IR）。在这一周期内，处理器执行以下微操作：

  • PC → MAR：程序计数器（PC）的内容送到内存地址寄存器（MAR），以便确定当前要取指令的内存地址。

  • (MAR) → M：打开MAR送到地址总线的输出门。

  • 1 → R：CU通过控制总线向主存发出读命令。

  • M(MAR) → MDR：主存通过数据总线根据MAR中的地址所对应的存储单元中的内容(指令)送入MDR。

  • MDR → IR：打开控制门，将内存数据寄存器（MDR）中的数据（即指令）送到指令寄存器（IR）中。

  • OP(IR) → CU：打开指令操作码送往CU的输出门。

  • PC + 1 → PC：程序计数器（PC）自增，准备下一条指令的地址。

2. 间址周期（Address Calculation Cycle）

间址周期通常用于指令中的寻址操作。例如，对于ADD R1, M（将内存地址M中的值加到寄存器R1中）指令，间址周期的任务是计算指令中的操作数地址。在这一周期中，微操作如下：

  • Ad(MAR) → MAR：打开MDR和MAR的控制门，将形式地址送到MAR。

  • (MAR) → AB → M：打开MAR送到地址主线的输出门。

  • 1 → R：CU 通过控制总线向主存发出读命令。

  • M(MAR) → MDR：主存通过数据总线，将MAR中地址所对应的存储单元的内容(有效地址)送到MDR。

3. 执行周期（Execution Cycle）

执行周期是实际进行运算的过程。对于加法指令，它的任务是执行加法操作，并将结果存储回目的寄存器或内存。微操作如下：

  • MDR → MAR：将有效地址送到MAR。

  • (MAR) → AB → M：打开MAR送往地址总线的输出门。

  • 1 → R：CU通过控制总线向主存发出读命令。

  • M(MAR) → DB → MDR：将操作数存入MDR。

  • C6,C7同时有效：打开ACC和MDR链接ALU的控制门。

  • ACC + MDR → ACC：打开ALU通往ACC的控制门，存入计算结果。

执行加法指令的微操作过程可总结为：

  • 取指周期：从内存中取出指令，并更新PC。

  • 间址周期：计算操作数的地址，并从内存中读取操作数。

  • 执行周期：执行加法操作，并将结果存储到目标寄存器。

内部总线结构
1. 取指周期（Instruction Fetch Cycle）

在取指周期中，主要任务是从内存中获取当前要执行的指令，并更新程序计数器（PC）。通过内部总线将各个模块连接在一起以进行数据传输。

  • PC → MAR：程序计数器（PC）的内容送到内存地址寄存器（MAR），确定当前要获取的指令的内存地址。

  • 1 → R：CU发出 "R"(读指令),

  • M(MAR) → MDR：主存通过数据总线根据MAR中的地址所对应的存储单元中的内容(指令)送入MDR。

  • MDR → IR：内存数据寄存器（MDR）中的数据（即当前的指令）通过总线传送到指令寄存器（IR）中。

  • PC + 1 → PC：程序计数器（PC）自增，为下一条指令准备地址。

  • 数据通过总线从PC传送到MAR，再从内存（通过MDR）传送到IR，最后更新PC指向下一条指令。总线在整个过程中充当着数据传输的媒介。

2. 间址周期（Address Calculation Cycle）

间址周期的任务是从指令中提取操作数的地址，并从内存中读取操作数。指令可能包含一个操作数地址，需要通过间址周期进行地址计算和数据获取。对于ADD R1, M，这里的M是内存地址。

  • Ad(MAR) → MAR：将指令的形式地址经内部总线送至MAR。

  • 1 → R：C通过控制总线向主存发出读命令

  • M(MAR) → MDR：主存通过数据总线，将MAR中地址所对应的存储单元的内容(有效地址)送到MDR。

  • MDR → A：将内存数据寄存器（MDR）中的数据（即 M 的值）传送到寄存器A（临时寄存器，用于存放操作数）。

3. 执行周期（Execution Cycle）

执行周期是指令执行的核心部分，主要任务是通过ALU进行加法运算，并将结果存储到目标寄存器中。对于 ADD R1, M，目标是将内存 M 的值加到寄存器 R1 的值上。

  • (MDR)→ MAR：将有效地址经内部总线送至 MAR。

  • 1→R：CU通过控制总线向主存发出读命令(R)。

  • M(MAR)→ MDR：主存通过数据总线，将 MAR 中地址所对应存储单元的内容(数据)送至 MDR。

  • (MDR)→Y：将操作数送至奇存器Y，直接作为 ALU 的一个输入。

  • ACC + Y → Z：CU 向 ALU发出“ADD"加法指令的控制信号，完成 ACC和 MDR 内容的相加得到的结果直接送往寄存器 Z。

  • Z → ACC：结果写入ACC。

比较：
特性内部总线结构（Bus-Based Architecture）专用数据通路（Dedicated Data Path Architecture）
带宽和延迟带宽较低，延迟较高，因为总线是共享资源带宽较高，延迟较低，避免了总线瓶颈
硬件资源消耗硬件资源节约，减少了布线和硬件复杂性需要大量的硬件资源，为每个操作设计专用通路
灵活性灵活性高，适合扩展和变更灵活性差，设计固定，扩展困难
系统扩展性扩展性好，容易增加新组件扩展困难，增加新组件需要重新设计硬件
并行性并行性较差，多个组件访问总线时会造成冲突高并行性，可以同时处理多个数据流
复杂性和维护设计较简单，维护较容易设计和维护较复杂，需要更多的工程资源

结语

关于指令系统的部分，中间涉及汇编的内容我暂时搁置了，我决定后面再系统地学一下汇编。

另外，怎么感觉越到后面越累了，是我的错觉吗？

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编程日记 2025/7/1 12:56:34

scrollIntoView() 滚动到元素顶部和底部

scrollIntoView() 是一个 DOM 方法&#xff0c;通常用于将某个元素滚动到视口内&#xff08;可视区域&#xff09;。这个方法能够使目标元素在页面上可见&#xff0c;尤其是在有滚动条的容器中。当你调用 scrollIntoView() 时&#xff0c;浏览器会自动滚动页面&#xff0c;直到…...

编程日记 2025/6/28 19:12:12

数据预处理

数据预处理科普指南 一、数据预处理&#xff1a;开启数据价值之门的钥匙 在当今数字化浪潮中&#xff0c;数据被视作蕴含无尽宝藏的富矿。然而&#xff0c;原始数据就如同刚从矿山采出的原石&#xff0c;虽内藏珍贵信息&#xff0c;却混杂着诸多瑕疵&#xff0c;如噪声、缺失…...

编程日记 2025/6/28 17:00:58

关于分布式数据库需要了解的相关知识！！！

成长路上不孤单&#x1f60a;&#x1f60a;&#x1f60a;&#x1f60a;&#x1f60a;&#x1f60a; 【14后&#x1f60a;///计算机爱好者&#x1f60a;///持续分享所学&#x1f60a;///如有需要欢迎收藏转发///&#x1f60a;】 今日分享关于关于分布式数据库方面的相关内容&a…...

编程日记 2025/7/2 1:39:18

IP代理测试要测试哪些方面？

在数据采集的征途上&#xff0c;IP代理是我们的得力助手&#xff0c;它不仅帮助我们高效地收集信息&#xff0c;还能在保护数据安全方面发挥重要作用。但面对众多的IP代理服务&#xff0c;如何知道哪一个才是最适合我们的呢&#xff1f;这就需要我们进行一系列的测试。 速度与…...

编程日记 2025/7/1 15:19:04

【前沿 热点 顶会】AAAI 2025中与目标检测有关的论文

CP-DETR: Concept Prompt Guide DETR Toward Stronger Universal Object Detection&#xff08;AAAI 2025&#xff09; 最近关于通用物体检测的研究旨在将语言引入最先进的闭集检测器&#xff0c;然后通过构建大规模&#xff08;文本区域&#xff09;数据集进行训练&#xff0…...

编程日记 2025/7/2 4:07:53

【Unity3D】Jobs、Burst并行计算裁剪Texture3D物体

版本&#xff1a;Unity2019.4.0f1 PackageManager下载Burst插件(1.2.3版本) 利用如下代码&#xff0c;生成一个Texture3D资源&#xff0c;它只能脚本生成&#xff0c;是一个32*32*32的立方体&#xff0c;导出路径记得改下&#xff0c;不然报错。 using UnityEditor; using Uni…...

编程日记 2025/7/2 16:39:48