复旦大学961-计算机系统基础-第一章-处理器体系基础

缺乏、安全感 2022-12-24 06:58 169阅读 0赞

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### 文章目录 ###

*  CPU中的时序电路
 *  单周期处理器的设计
 *  流水线处理器的基本原理
 *  Data Hazard的处理
 *  流水线设计中的其他问题

# CPU中的时序电路 #

TODO

# 单周期处理器的设计 #

王道2021《组原》P206

单指令周期：对所有指令都选用相同的执行时间来完成，称为**单指令周期方案**。此时每条指令都在**固定的时钟周期**内完成，指令之间**串行执行**，即下一条指令只能在前一条指令执行结束后才能启动。因此，指令周期取决于执行时间最长的指令的执行时间。对于那些本来可以在更短时间内完成的指令，要使用这个较长的周期来完成，会降低整个系统的运行速度。

# 流水线处理器的基本原理 #

王道2021《组原》P206

流水线方案：指令之间可以**并行**执行的方案，称为**流水线方案**，其追求的目标是力争在每个**时钟脉冲周期**完成一条指令的执行过程（只在理想情况下才能达到该效果）。这种方案通过在每个时钟周期启动一条指令，尽量让多条指令同时运行，但各自处在不同的执行步骤中。

# Data Hazard的处理 #

《CS-APP》P295 流水线冒险

将流水线技术引入一个**带反馈的系统**，当**相邻指令间存在相关**时会导致出现问题。 这些相关有两种形式：

1.  **数据相关**：下一条指令会用到这一条指令计算出的结果
2.  **控制相关**：一条指令要确定下一条指令的位置。

这些相关可能会导致流水线产生计算错误，称为**冒险（hazard）**， 冒险分为两类：

1.  **数据冒险（data hazard）**
2.  **控制冒险（control hazard）**

**解决数据冒险的方式**：

1.  **用暂停来避免数据冒险**：**暂停（stalling）** 是避免冒险的一种常用技术，暂停时，处理器会停止流水线中一条或多条指令，直到冒险条件不在满足。让一条指令停顿在译码阶段，直到产生它的源操作数的指令通过了写回阶段，这样我们的处理器就能避免数据冒险。
2.  **用转发来避免数据冒险**：将要写的值传入到流水线寄存器作为源操作数。这样就能避免暂停，这种将结果值直接从一个流水线阶段传到较早阶段的技术称为**数据转发（data forwarding）** 。

# 流水线设计中的其他问题 #

《CS-APP》P284 流水线的局限性

1.  不一致的划分
2.  流水线过深，收益反而下降

[961]: https://blog.csdn.net/zhaohongfei_358/article/details/111414370

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