三、计算机体系结构——中央处理器

​通常现代计算机中，控制器和数据通路（包含运算器）共同组成中央处理器，即CPU

1. CPU相关概念

1.1 处理器寻址空间

寄存器空间：可以通过指令以及编码于指令中的寄存器号进行访问，该包括通用寄存器，特殊寄存器和控制寄存器

系统内存空间：通过访存指令进行访问，该空间又包括IO空间和内存空间。对IO空间的访存用in/out指令，对内存空间访存用堆栈操作；通常ARM，MIPS等RISC指令集不区分IO或内存空间，访问均使用load/store指令。

1.2 CPU的硬件组成

1.2.1 控制器

对指令惊醒译码，生成指令对应的控制信号，控制数据通路的动作，对指令的执行部件发出控制信号。

• 控制器的基本功能

1. 控制指令流出
2. 控制指令分析
3. 控制指令执行
4. 控制指令流向
5. 控制执行环境的维护

1.2.2 CPU的数据通路

指令执行过程中数据所经过的路径，是指令的执行部件。

以下要素通过一定规则连接起来就形成了CPU的数据通路：
1）程序计数器（PC）：指示当前指令的地址；
2）指令存储器：按照指令地址存储指令码，接收PC，读出指令；
3）译码部件：用于分析指令，判断指令类别；
4）通用寄存器堆：用于承载寄存器值；
5）运算器：执行指令所要求的运算操作；
6）数据存储器：按照地址存储数据，主要用于访存指令；

可以根据一个时钟周期内执行指令的数量划分处理器的类型。一个长时钟周期内只有一条指令执行称为单周期处理器；一个短时钟周期内只执行一条指令的某个阶段称为多周期处理器；而一个短时钟周期内同时执行多条指令的称为流水线处理器

可以先借助单周期处理器和多周期处理器理解CPU指令执行流程，再过渡到流水线处理器。

2. 不同类型的处理器

2.1 单周期控制的处理器

单周期流水线图表示同一时钟周期内整个数据通路的状态和操作，但由于运行的过程较多，因此一个时钟周期可能很长

如下图所示是典型的RISCV单周期控制的处理器图：

• 单周期处理器的特征

1. CPI始终为1，所有指令的执行时间都已最长的load指令为准
2. 该处理器的始终周期远大于其他指令所需的执行时间，效率极低

2.2 多周期控制处理器

该类型处理将一条指令的执行分为多个阶段，以执行时间最长的阶段时间为时钟周期，即一个时钟周期执行指令的一个阶段。该处理器通过使用分频时钟，确保在同一指令后几个时钟周期执行时，控制逻辑因没有就受到下一时钟沿所以不会发生变化。

如下图为一条指令的执行过程：

如上图所示：
在第一个时钟周期，通过PC取出指令，在第二个时钟上升沿锁存到指令码触发器R1;
在第二个时钟周期，将R1译码并生成控制逻辑，读取通用寄存器，读出结果在第三个时钟上升沿锁存到R2；
在第三个时钟周期，使用控制逻辑和R2进行ALU运算。

上述可见，在一条指令执行过程中，如何决定各个控制信号在不同周期的取值，是多周期处理器控制设计的关键。

• 特征

1. 允许功能部件在一条指令执行过程中被重复使用
2. 一条指令过程中会占用整个数据通路

在指令执行过程中，寄存器随时钟的变化如图所示，以指令add x1, x2,x3为例：

• 实现方法

1. 有限状态机
2. 每一种指令执行都是一个状态
3. 微程序

• 影响多周期处理器的因素

1. CPI
2. 程序的指令总数
3. 每类指令的指令数
4. 处理器的时钟周期时间

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2.3 流水线处理器

流水线技术参考链接：
流水线技术
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