参考
《计算机组成与设计》
计算机概要与技术
计算机系统结构中的8大伟大思想
- 摩尔定律
- 抽象简化设计
- 加速大概率事件
- 通过并行提高性能
- 通过流水线提高性能
- 通过预测提高性能
- 存储器层次
- 通过冗余提高性能
处理器
处理器从逻辑上包括两个主要部件：数据通路和控制器
- 数据通路 执行算术操作
- 控制器 指导数据通路、存储器和I/O设备按照程序的指令正确执行
数据安全
内存是程序运行时的存储空间，用于保存程序运行时所使用的数据，内存由
DRAM芯片组成，DRAM是dynamic random access memory的缩写，无论数
据存储在什么位置，DRAM访问内存的时间基本相同。缓存是一种小而快的存
储器，一般作为DRAM的缓冲，缓存使用静态随机访问存储器SRAM，全称是
Static Random Access Memory 
- 易失性存储器 类似DRAM的存储器，仅在加电时保存数据，也称主存储器，
内存是靠电平来保存数据的，一旦断电数据就会丢失 - 非易失性存储器 在掉电时仍可保持数据的存储器，例如磁盘、闪存光盘
(CDROM, DVD)，是靠磁性来保存数据的，断电不会影响数据
早期DRAM在主存储器中占主导地位，而磁盘在二级存储器中占主地位，后来
非易失性半导体存储器–闪存在个人移动设备中替代了磁盘，比如手机宣传
8+128G，8就是指手机内存，128G就是手机闪存，相当于电脑的磁盘
接口
性能
- 响应时间 也叫执行时间，是计算机完成某任务所需的总时间，包括硬盘
访问、内存访问、I/O活动、操作系统开销和CPU执行时间 - 吞吐率 也叫带宽，性能的另一种度量参数，表示单位时间内完成的任务
数量 - X是Y的n倍快 性能X/性能Y=n=执行时间Y/执行时间X
性能的度量
- CPU执行时间 只表示在CPU上花费的时间，可以细分为用于用户程序的时
间和操作系统为用户服务花去的CPU时间。前者称为用户CPU时间，后者称为
系统CPU时间 - 时钟周期 为计算机一个时钟周期的时间，通常是处理器时钟
- 时钟长度 每个时钟周期持续的时间长度
- 一个程序的CPU执行时间=一个程序的CPU时钟周期数*时钟周期时间
指令的性能
指令数：执行某程序所需的总指令数量
- CPU时钟周期数=程序的指令数*每条指令的平均时钟周期数
- CPI 表示执行每条指令所需的时钟周期数的平均值，不同的指令需要的时间
可能不同，CPI是所有指令所用时钟周期数的平均值 - CPU时间=指令数*CPI/时钟频率
Amdahl
改进后的执行时间=受改进影响的执行时间/改进量+不受影响的执行时间
MIPS
MIPS=指令数/(执行时间*10^6) 指令执行的频率
计算机的语言
目前有四种流行的指令集，接下来会介绍MIPS指令架构
- ARMv7
- Intel x86
- ARMv8
- MIPS
操作数
32个64bit的寄存器文件，每个地址都是由8位地址符表示也就是字节编址，
使用大端法表示，一个字是32位
汇编语言
- 加法 dadd $r1,$r2,$r3 $r1=$r2+$r3
- 减法 dsub $r1,$r2,$r3 $r1=$r2-$r3
- 立即数加法 daddi $r1,$r2,20 $r1=$r2+20
处理器
计算机的性能由指令数目、时钟周期长度和CPI决定，编译器和指令集决定了一
个程序所需要的指令数目，处理器的实现方式决定了时钟周期长度和CPI。要想
实现一个处理器，首先要构建一个数据通路，然后进一步构建一个简单的处理
器以实现MIPS这样的指令集
基本的MIPS实现
首先要设计的实现方式包含一个MIPS的核心子集
- 存储访问指令 lw sw
- 算术逻辑指令 add sub and or slt
- 分支指令 beq j
实现方式
指令的实现过程大致相同，而与具体的类型无关，前两步都是一样的
- 程序计数器指向指令所在的存储单元，并取出指令
- 根据指令内存取出一个或两个寄存器
接下来的步骤取决于具体的指令类型，每个类型的指令都大致相同，比如除了
跳转指令外所有的指令在读取寄存器后都要使用算术逻辑单元，可能用于计算
地址、执行运算或比较
逻辑设计
MIPS实现中的数据通路功能部件包括两种不同的逻辑单元：处理数据值的单元
和存储状态的单元。处理数据值的单元都是组合单元，它们的输出只决定与当
前的输入
- 组合单元 一个操作单元，如与门或ALU
- 状态单元 一个存储单元，如寄存器或存储器
建立数据通路
首先分析执行每种MIPS指令时需要哪些主要部件
- 数据通路部件 用来操作或保存处理器中数据的单元
- 程序计数器 存放下一条将要被执行指令的地址的寄存器
流水线
流水线是一种实现多指令重叠执行的技术 
MIPS指令流水
5级, 每级完成一个操作步骤
- IF: 从内存中取指令
- ID: 指令解码& 读寄存器
- EX: 执行运算或计算地址
- MEM: 访问内存操作
- WB: 将结果写回寄存器
流水线冒险
冒险现象：下一周期不能按时执行下一条指令
- 结构冒险 所需的部件忙，暂不可用
- 数据冒险 需要前面某条指令的计算结果，用于本次计算输入
- 控制冒险 需要根据前面某条指令的结果来确定分支的选择执行
结构冒险
某个资源使用上的冲突，如果某个MIPS流水实现，且只有一个内存部件，这个
部件执行一次操作需要多个时钟周期（比如乘法器和除法器）
- 存取操作都需要访问内存
- 取指令因此而停顿
数据冒险
一条指令依赖前一条指令的执行结果 
1 | add $s0,$t0,$t1 |
解决方法有三种
- 编译器安排指令序列–出现太频繁，效果不好
- 推迟执行，保持因果关系，性能下降
- forwarding 不要等待计算结果保存到目的寄存器，直接给下一条指令使用
控制冒险
下一条要取出的指令取决于分支指令的输出 
数据通路
