26考研——中央处理器（5）

408答疑

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一、CPU 的功能和基本结构

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二、指令执行过程

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三、数据通路的功能和基本结构

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四、控制器的功能和工作原理

• 暂略

五、异常和中断机制

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六、指令流水线

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七、多处理器的基本概念

• 暂略

八、参考资料

鲍鱼科技课件

b站免费王道课后题讲解:

网课全程班:

26王道考研书

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九、总结

思考题

1. 指令和数据均存放在内存中，计算机如何从时间和空间上区分它们是指令还是数据？
   • 时间上：取指令事件发生在“取指周期”，取数据事件发生在“执行周期”。
   • 空间上：从内存读出的指令流经控制器（指令寄存器），从内存读出的数据流经运算器（通用寄存器）。
2. 什么是指令周期和时钟周期？它们之间有何关系？
   • CPU 每取出并执行一条指令所需的全部时间称为指令周期；
   • 时钟周期是指计算机主时钟的周期时间，它是计算机运行时最基本的时序单位，通常 $时钟周期=计算机主频的倒数$。
3. 什么是微指令？它和第 4 章谈到的指令有什么关系？
   • 控制部件通过控制线向执行部件发出各种控制命令，通常把这种控制命令称为微命令，而一组实现一定操作功能的微命令的组合，构成一条微指令。
   • 许多条微指令组成的序列构成微程序，微程序完成对指令的解释执行。
   • 指令，即指机器指令。每条指令可以完成一个独立的算术运算或逻辑运算操作。
   • 在采用微程序控制器的 CPU 中，一条指令对应一个微程序，一个微程序由许多微指令构成，一条微指令会发出很多不同的微命令。
4. 什么是指令流水线？指令流水线相对于传统体系结构的优势是什么？
   • 指令流水线是把指令分解为若干子过程，通过将每个子过程并行执行，来提高计算机的吞吐率的技术。
   • 采用流水线技术只需增加少量硬件就能把计算机的运算速度提高几倍，因此指令流水线成为计算机中普遍使用的一种并行处理技术，它通过在同一时间段使用各功能部件，使得利用率明显提高。

常见问题和易混淆知识点

1. 流水线越多，并行度就越高。是否流水段越多，指令执行越快？

   • 流水线越多，并行度就越高。但流水线段越多，指令执行越快是错误的，原因如下：
   • 流水线缓冲之间的额外开销增大。每个流水段有一些额外开销用于缓冲间传送数据、进行各种准备和发送等功能，这些开销加长了指令的整个执行时间，当指令间逻辑上相互依赖时，开销更大。
   • 流水线段间控制逻辑变多、变复杂。用于流水线优化和存储器（或寄存器）冲突处理的控制逻辑将随流水段的增加而大增，这可能导致用于流水段之间控制的逻辑比段本身的控制逻辑更复杂。

2. 读后写（WAR）相关和写后写（WAW）相关的概念。

   • 读后写（WAR）冲突：

     • 表示当前指令读出数据后，下一条指令才能写该寄存器。否则，先写后读，读到的就是错误（新）数据。
     • 在下列指令中，寄存器 R1 可能存在这样的冲突，当指令 I2 试图在指令 I1 读 R1 之前就写入该寄存器时，指令 I1 就错误地读出该寄存器新的内容。
     • 在 WAR 冲突中，指令 I2 的目的操作数是指令 I1 的源操作数。

     I1: add R3, R1, R2  	# (R1) + (R2) → R3
     I2: sub R1, R4, R5  	# (R4) - (R5) → R1
     

   • 写后写（WAW）冲突：

     • 表示当前指令写入寄存器后，下一条指令才能写该寄存器。否则，下一条指令在当前指令之前写，将使寄存器的值不是最新值。
     • 在下列指令中，寄存器 R1 可能存在这样的冲突，当指令 I2 试图在指令 I1 之前就写入 R1 时，就会错误地使由指令 I1 写入的值成为该寄存器的内容。
     • 在 WAW 冲突中，指令 I2 和指令 I1 的目的操作数是相同的。

     I1: add R1, R2, R3		# (R2) + (R3) → R1
     I2: sub R1, R4, R5  	# (R4) - (R5) → R1
     

在非按序执行的流水线中，因为允许后进入流水线的指令超过先进入流水线的指令而先流出流水线，所以既可能发生 RAW 相关，又可能发生 WAR 和 WAW 相关。