K和k计算可以用约等于指令流水线一开始几个周期

CPU设计
学习的内容
系统总线
存储器系统
I/O接口和数据传输 信息（指令和数据）的表示。指令系统的设计。
第一章 计算机系统概述
• 计算机系统的组成和分层结构
– 硬件子系统：运算器、控制器、存储器、I/O设备 – 软件子系统：系统软件和应用软件 – 冯·诺依曼机器结构 – “存储程序”工作方式
• 计算机的性能
• 超流水线：更多的流水线级（段）数 • 多发射流水线：同时发射多个指令，有多条流水线同时进行
– 静态多发射（VLIW处理器） – 动态多发射（超标量处理器）
• 流水线冒险的种类和解决方法 – 结构冒险，数据冒险，控制冒险 – 转发，寄存器前半写后半读
• 提醒：注意复习几个quiz
第八章 总线
• 总线的设计 – 信号线类型
• 题型：
– 选择题20分 – 名词解释12分 – 简答18分 – 计算50分
• 一点说明：
– K和k的计算可以用“约等于” – 指令流水线一开始的几个周期可以不算
计算机系统
Software Hardware
Application (ex: browser)
Operating
Compiler
System
第五章 指令系统
• 指令系统（指令集体系结构中最核心部分）是软/硬件的交界面 • 一条指令必须隐含或明显地包含：
操作码/源操作数地址/结果值地址/下一条指令地址 CPU根据指令的操作码和指令格式确定操作数的类型、长度和地址
• 寻址方式 寄存器/寄存器间接/直接/间接/立即/堆栈/偏移(相对、变址和基址)
• 操作类型 – 传送/算术/逻辑/字符串/输入输出/程序流控制/系统控制/……
• 根据设计和实现风格，指令系统分为两类： – CISC：复杂指令集计算机 – RISC：精简指令集计算机
第六章 中央处理器
• CPU的功能——执行指令、检测“异常和中断”并响应 • CPU的组成
– 数据通路中包含组合逻辑单元和存储信息的状态单元
• 控制线、数据线和地址线。数据/地址分离或复用
– 总线可以采用“同步”或“异步”方式进行定时。
• 同步总线用“时钟”信号定时，异步总线用“握手信号”定时
– 总线的裁决：有集中和分布两类裁决方式
• 分布裁决：自举裁决、冲突检测 • 集中裁决：菊花链、独立请求并行判优
– 总线事务：总线所支持的各种数据传输类型和其他总线操作类型
(Windows 2K)
Assembler
Processor Memory I/O system
Instruction Set Architecture
Datapath & Control
Digital Design Circuit Design
transistors
指令集体系结构（ISA）以指令系 统为核心，包含数据类型格式定义、 寄存器设计、存储器访问和保护方 式、I/O访问方式、中断结构、计 算机状态的定义和切换等等。ISA 设计的好坏直接决定了计算机的性 能和成本。
• 如存储器读、存储器写、I/O读、I/O写等
– 总线带宽：单位时间内在总线上传输的最大数据量
第九章 输入输出系统
• 磁盘存储器：寻道时间、旋转等待时间、传输时间 • I/O接口：用于在主机（IO总线）和设备之间进行命令、数据、状态信
第四章 存储器分层结构
• 半导体随机访问存储器 – 记忆单元 – 存储芯片 – 存储模块(内存条) – 存储器
• 层次：磁带-磁盘-主存-cache-寄存器
• 虚拟存储器管理 – 分页式(页表)，分段式(段表)，段页式(段表＋页表) – TLB的引入 – 虚拟地址和物理地址转换
• 高速缓冲存储器cache – 程序访问局部化:时间局部性\空间局部性 – 映射关系:直接映射\全相联映射\组相联映射
定点数的乘除法器： ✓ 用“加法+右移”实现乘法、“加法+左移”实现除法
浮点数运算： ✓ 用定点数的加减乘除运算实现。 ✓ 加减运算：对阶、尾数加减、规格化、舍入 ✓ 为保证精度，浮点运算时要增加“保护位”，并考虑“舍入”
所有运算都在ALU（算术逻辑部件）上运行 ✓ ALU的运算由来自控制器对指令译码的操作控制端决定 ✓ ALU的核心是“加法器”
• 数据通路的设计 – 单周期Datepath：CPI=1(Clock宽度为最复杂指令周期) – 多周期Datepath：CPI>1(Clock宽度为最复杂子周期) – 流水线Datepath：CPI≈1(Clock宽度为最复杂子周期)
几个“长度”或“单位”
• 机器字长：CPU中定点运算数据通路的位数 • “字”：机器中所有信息宽度的计量单位。例如
第二章 数据的机器级表示
数据的类型 ✓ 分为数值型数据和非数值型数据
数值数据 ✓ 三要素：进位计数制、定浮点和编码 ✓ 定点整数,有无符号整数和有符号整数 ✓ 定点整数用补码表示 ✓ 浮点数用IEEE754标准，float(32位)的格式
第三章 运算方法与部件
补码定点数的加/减法器： ✓ 在“无符号加法器”加“溢出检测”和“求负”电路
– CPU性能指标：CPI 、MIPS、FLOPS – CPU性能的测量：基准程序
• CPI和哪些因素有关？ –时钟周期长度 –指令类型和条数 –是一个平均值，并不能很好的反映性能
• 为什么MIPS也不能很好的反映计算机性能？ –不同机器的指令集不同 –程序由不同的指令混合而成 –指令使用的频度动态变化
：80x86系列:16位；IBM303X系列：32位。 • 指令字长：指令的位数
• 编址单位：存储单元的宽度 。大多为8位 • 存取宽度：一次从一个由多个DRAM芯片构成的
存储模块中同时读写Байду номын сангаас信息的宽度 • 总线宽度：传输单位，也就是一次最多能在总线
上传输的信息位数
第七章 流水线处理器
• 流水线CPU的设计 – 分段+流水段寄存器 – 高性能流水线
• 寄存器有两类：用户可见和系统专用（PC，IR，MAR，MDR，PSWR）
– 控制器对指令进行译码，与指令执行中的机器状态、时序信号（时 钟）等组合，生成对数据通路进行控制的控制信号
– 微程序控制器 • 指令周期
– 取指令、译码、 (取数)、执行、(存结果)、(中断响应) 一条指令的执行是数据在数据通路中流动的过程