CPU 和流水线

CPU 组成
- 数据通路
  - 指令执行过程中，数据经过的所有部件。
  - 属于 CPU 的执行部件，包括运算器、寄存器等。
- 控制器
  - 对指令译码，生成控制信号，控制数据通路的动作。
  - 具体组成部分：
    - 指令部件
    - 时序部件
    - 微操作信号发生器
      - 组合逻辑型
      - 存储逻辑型：常用方式
      - 组合逻辑和存储逻辑结合型
    - 中断控制逻辑
时序系统
- 周期
  - 指令周期
    - 一条指令完成取指、译码、执行等各个步骤的完整时间。
    - 不同的指令功能不同，指令周期也不同。
  - 机器周期/CPU 周期
    - 完成一条指令处理的其中一个步骤需要的时间，指令周期包括若干机器周期。
    - 机器周期的长度可能相同，可能不同，取决于节拍的实现。
  - 节拍
    - 完成一个机器周期中的微操作需要的时间，机器周期包括若干节拍。
    - 节拍一般长度相同，机器周期包括的节拍数量可能不同。
    - 节拍的分类：
      - 统一节拍法：按照最复杂的机器周期为基准，所有机器周期都用相同数量的节拍。有节拍浪费。
      - 分散节拍法：各种机器周期按需分配节拍，完全没有浪费。
      - 延长节拍法：设定基本节拍数量，大部分机器周期固定使用基本节拍，其他机器周期额外使用更多节拍。基本节拍的浪费比最长的要少。
  - 工作脉冲
    - 一个节拍尾部产生的若干脉冲，给一些触发器等部件提供同步信号。
    - 基本上被时钟周期代替，时钟周期的上升沿和下降沿也可以起到同步作用。
  - 时钟周期
    - 时钟产生的基本周期，时序的最基本单位。一个节拍包括时钟周期。
    - 时钟周期基本上可以代替节拍，作用上基本相同。
- 控制方式
  - 同步控制方式
  - 异步控制方式
  - 联合控制方式
执行过程
- 取指
  - (PC) -> MAR
  - M(MAR) -> MDR -> IR
  - (PC) + 1 -> PC
- 取数
  - 这里指从主存取数。对于寄存器取数，则无需这么复杂。
  - (R0) -> MAR，其中 R0 为主存地址。
  - M(MAR) -> MDR -> Y
- 执行
  - 运算指令
    - (R1) + Y -> Z
    - (Z) -> MDR -> M(MAR)
  - 转移指令
    - (PC) + A -> Z
    - 如果满足条件 (Z) -> PC
微程序
- 定义
  - 微指令：多个微指令组成指令，指令即微程序。
    - 指令由硬件解释器执行，转换为顺序执行一系列为指令。
  - 微命令：多个微命令组成微指令。微命令对应一个微操作。
    - 微命令一般是对特定部件作用的，所以不同微命令可能可以并行执行。
    - 一条微指令的微操作码编码一次同时执行的所有的微命令，多个部分操作组成整体操作。
- 微操作码编码
  - 直接控制法
    - 所有的微命令都对应一个二进制位，微指令可以任意选择微命令集合。
    - 优点：执行速度快，并行性强。
    - 缺点：微指令太长，可以编码互斥的微命令集合。
  - 最短编码法
    - 一个微指令只执行一个微命令，编码直接设计为微命令编号。
    - 优点：微指令长度短，控制字段只需要 $\lceil log_2 N \rceil$ 位。
  - 字段编码法
    - 把微命令按照互斥关系分组，互斥的微命令用一个字段译码选择，不互斥的微命令用不同字段表示。
    - 一个 $n$ 位的字段，用其中一个表示不操作，剩下 $2^n - 1$ 表示各个互斥的微命令。
流水线
- 分类
  - 线性/非线性：
    - 线性流水线：每个段恰好流过一次，从前往后连接。
    - 非线性流水线：可以有前馈回路和反馈回路。
      - 图中的反馈回路默认回流一次，此后不回流。
  - 其他。
- 指标
  - 吞吐率
    - 最大吞吐量：理论上无限运行情况下的吞吐率，取决于流水段的瓶颈。
      - $TP_{\max} = \dfrac{1}{\Delta t_{\max}}$
    - 实际吞吐率：处理给定有限数量的任务的吞吐率。
      - $TP = \dfrac{n}{\sum_{i = 1}^m \Delta t_i + (n - 1) \Delta t_{\max}}$
    - 提高吞吐量的方法：
      - 细分瓶颈段为更多更小的段。
      - 重复设置瓶颈段，轮流使用不同的段。
  - 加速比
    - $S_p = \dfrac{T_{\text{sequential}}}{T_{\text{pipeline}}}$
  - 效率
    - 效率为一段时间内各流水段的使用时间占比的平均值。
    - 对于一段时间 $T$ ，效率为流水线时空图上 $m$ 段与 $T$ 的矩形面积，和段实际覆盖面积的比值。
- 非线性流水线调度和预约表
  - 预约表表示一个部件的各个段的占用情况：
    - 横轴是时间段，一列表示当前时间段内的流水段占用。
    - 纵轴时流水段，一行表示此段在不同时间的占用。
  - 禁止向量 $F$ $F$ ：表示会导致冲突的调度时间间隔。
    - 考虑每一行所有占用的位置，如果 $i, j$ 时间段被占用，则 $j - i$ 间隔会导致冲突。
    - 把每一行的所有冲突情况合并得到集合 $F$ ，即禁止向量。
  - 初始冲突向量 $C$ ：如果 $i \in F$ ，则禁止向量 $C$ 中从低位开始第 $i$ 位为 $1$ ，最低位为 $1$ 。
  - 冲突向量状态转移：设当前状态为 $C_a$ $C_{a}$ ， $C_a$ $C_{a}$ 的第 $i$ $i$ 位为 $0$ $0$ ，则可以以 $i$ $i$ 为时间间隔调度下一个任务。
    - 将 $C_a$ 逻辑右移 $i$ 位得到向量 $C_a'$ ，即 $i$ 时间间隔后、未调度新任务前的冲突情况。
    - 将 $C_a'$ 与 $C$ 按位或得到 $C_b$ ，即 $i$ 时间间隔后、调度新任务后的冲突情况，是一个状态向量。
    - 所有的状态向量连接为状态图，边为间隔时间：
      - 平均启动距离：状态图上的路径的间隔时间平均值。
      - 最小启动循环：状态转移为从初始冲突向量开始的环，且平均启动距离最小。

存储器层次结构输入输出系统