简单计算机模型MARIE

CPU

CPU中的寄存器

• 保存数据、地址、控制信息
• 常见：存储信息的寄存器、数值移位的寄存器、数值比较的寄存器、计数寄存器、存储中间结果的寄存器、控制循环的索引寄存器、管理处理堆栈的堆栈指针寄存器、保持各种工作状态和操作模式溢出进位的寄存器、和给程序员使用的通用寄存器。

CPU中的算数逻辑单元ALU

• 执行逻辑运算和算数运算
• 通过控制单元发出的信号，ALU可以执行规定的计算
• 在ALU执行的操作会影响状态寄存器的某些数据位（状态寄存器存放特殊的操作状态，溢出进位借位等等），指示是否有溢出等发生

CPU中的控制单元

• 取指令：使用程序计数器PC确定要执行哪一条指令
• 指令译码：确保数据适合时间出现在正确的地方
• 通知ALU使用哪一个寄存器，执行哪些中断服务程序

总线

多条线路组成，允许多位数据并行传递

总线周期：完成总线信息传送所需的时钟脉冲间隔

总线分类有哪些？

• 按照对象个数分为：点对点和多点总线
• 按照功能分为：数据总线、控制总线、地址总线、电源线
• 按照传输的信息种类黑使用的设备不同分为：
  • 处理器内存总线：比较短，告诉总线，通常是专门设计的，最大限度提高带宽
  • IO总线：允许多种类型的不同带宽，兼容性强
  • 底板总线：主板上的总线，供所有设备连接使用
• 按照相对内外分为：
  • 系统总线：CPU内存等内部组件
  • 外部总线（扩展总线）：外围设备，扩展插槽
  • 局部总线：外设直接和CPU数据总线相连
• 按照时序来分：
  • 同步总线：时钟控制，脉冲来到时事件才会发生，顺序由时钟脉冲决定，设备之间由时钟频率来同步，总线的周期时间是时钟频率的倒数，任何的时钟偏移（时钟浮动）都导致问题，总线缩短时间浮动就不会太大。注意总线周期不能短于信息在总线上传递的时间。总线长度限制了总线频率
  • 异步总线：协议控制，各控制线通过异步总线相互协调

总线仲裁是什么？

任何时刻总线只可以被一个设备使用，只有主控设备可以保留总线，从设备通过响应主控设备来读写数据。对有多个主控设备的系统来说，需要总线仲裁机制保证所有主控设备都可以使用总线

• 菊花链仲裁方式：优先级来轮流，可能饿死
• 集中式并行仲裁方式：
• 自选择分配式：
• 采用冲突检查的分配式：

时钟

• 控制指令的执行速度，脉冲到达时才可以执行操作，对系统各部件进行协调，就像一个交响乐的指挥。
• 特定指令执行需要固定的时钟周期数，指令执行的速度通过时钟周期的数目来测量，而不是秒。（记住周期是频率的倒数）
• 大多计算机只有一个主控时钟，按照规定时间间隔发送脉冲，各寄存器必须等待脉冲发生才可以输入新的数据

时钟周期和电路传输延迟之间什么关系？

• 提高时钟速度被在寄存器之间传递所需要的时间间隔限制，否则会数据丢失，最小时钟周期应该大于寄存器之间传递数据所需要的时间间隔（电路最大传输延迟）
• 电路最大传输延迟可以通过添加寄存器来减小，但是这会使时钟周期数增加
• 相同的时钟速度，新的处理器比旧的可以完成更多的指令，即执行一个相同的指令需要更少的周期数

系统时钟和总线时钟的关系？

系统时钟是控制CPU和其他部件的主控时钟，快于总线时钟，造成系统瓶颈

什么是超频？

使得部件的工作频率高于厂家给出的频率，这样有可能会发生时序故障（相当于改变时钟周期），可能过热，总线超频可能损坏连接的部件，工作不稳定

输入输出子系统

通常通过接口和CPU相连，接口（IO寄存器）负责信号转换，

CPU与接口（IO寄存器）的数据交换方式？

• 基于存储器来映射IO：存储器存放IO寄存器的地址，通过内存即可找到寄存器，在找到IO设备
• 基于指令的IO：CPU有输入输出专用指令，不使用内存

存储器

如何设计存储器？

分为多行，一行一个寄存器，一个寄存器有一个地址（无符号整数），按字节编址，64位系统一个时钟周期可以处理8个字节

如何编址？

• 按字编址：编址的间隔大小
• 按字节编址：大多计算器还是按字节编址的

按字寻址和按字节寻址指的是寻找的时候每次跨越的间隔，按字节就是一次8位来寻找地址，按字就是每一个字对应的大小间隔来寻找地址。

什么是内存存储里面的对齐问题？

如果是按字节编址，且计算机字长大于8（意味着可以存储多余8位的数），则读取一个32位长的字，读取的时候要确保字存储在自然对齐的边界上，并且访问从边界开始。

MARIE

MARIE是一个简单的计算机体系结构

MARIE中的寄存器

• AC：累加器，是通用寄存器，保存CPU需要处理的数据
• MAR：存储器地址寄存器，保存所引用数据的存储器地址
• MBR：存储器缓存寄存器，从存储器读取或要写入的数据
• PC：程序计数器，用来存放下一条执行指令的地址
• IR：指令寄存器保存将要执行的指令
• InREG：输入寄存器保存来自输入设备的数据
• OutREG：输出寄存器，保存要输出到到输出设备的数据

MARIE的指令集架构ISA？

ISA指定计算可以执行的指令以及指令的格式，ISA的本质是软件和硬件之间的接口，有些机器的指令集架构包括几百个指令，每一条指令16位

MARIE 的指令集组成

注意下面X是地址，不是要处理的值，指令中都是地址，不是待处理的值

如上图所示，二进制指令就是机器指令，相应的助记符就是汇编指令，二者之间有一一对应关系，转换需要汇编器来完成

什么是微操作？

上面的汇编的代码在执行的时候还是会细分为多个步骤，这每一个步骤就是一个微操作，例如Load X，先把X放到MAR，再从存储器取回数据放到MBR，再把MBR的数据加载到AC。寄存器之间的数据传输还要依靠总线来完成。微指令规定了对寄存器中存储的数据执行的基本操作

如何表示微操作？

微操作的符号表示叫做寄存器传输表示法（RTN）或寄存器传输语言（RTL）。

M[X]表示存储在X地址的数据<-表示数据传送方向。

Load X		两个总线周期，IR将X放入MBR是一个总线周期，取回数据到MBR由于MBR与AC之间有专门线路所以合起来是一个总线周期。
Store X		AC 的值存到存储器
Add X		存储器的X位置的值加到AC的值
Subt X	同理	同理
Input		输入设备的任何输入先到InREG。再到AC
Output
Halt	不对寄存器执行操作	机器只是停止执行
SkipCond		有条件地跳过下一条指令， 指令中的地址的第10、11位确定AC上执行何种比较，也就是，操作码的相邻两位。 指令的跳过是通过程序计数器PC+1来完成的
Jump X		转向地址X的无条件分支转移
JnS X	MBR ← PC MAR ← X M[MAR] ← MBR MBR ← X AC ← 1 AC ← AC + MBR PC ← AC	下一条要执行的指令放入存储器汇中X位置，程序计数器存入X地址下一条的指令 将PC内容复制到地址X处，PC调到X+1处
Clear	AC ← 0	AC清零所有位
AddI X	MAR ← X MBR ← M[MAR] MAR ← MBR MBR ← M[MAR] AC ← AC + MBR	间接寻址之后相加， 通过X来找需要处理数据的地址，之后累加
JumpI X	MAR ← X MBR ← M[MAR] PC ← MBR	间接跳转

MARIE顺序执行指令时的流程？

（汇编指令经过汇编器转换为机器码，）机器码在执行的时候先要译码，找出对应的操作码和要操作数据存放的地址，译码得到对应的操作根据操作将其分解为不同的微操作RTN，一步一步执行微操作，循环以上步骤即可顺序执行内存地址里面的二进制指令。

指令的执行过程是什么？

• 取指
  • MAR <- PC
  • IR <- M[MAR]
  • PC <- PC+1
• 译码
  • MAR <- IR[11-0]
  • IR[15-12]
• 执行周期
  • MBR <- M[MAR]
  • 执行指令

中断是什么？

中断取指-译指-执行周期的正常流程，转去执行其他操作

为什么使用中断的方式而不是轮询的方式？

很多时候没有需要完成的任务，不断轮询会浪费资源，中断使得CPU只需在特定时刻需要注意相应的设备，无需CPU监视

中断的分类有哪些？

• 硬件中断
  • 可以是任何外设产生
• 软件中断
  • 常叫做陷阱或者异常，使用中断处理程序（ISR****）来支持中断。

中断的执行流程是什么？

• 把触发中断的设备ID或中断请求号作为索引去查询中断向量表（一般保存在存储空间的低地址区域）。查询中断服务的程序的入口地址，即地址向量，即中断处理程序的ISR的地址
• 将地址向量存到PC程序计数器，开始执行中断服务

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译码方式该如何权衡？

• 硬连线控制（hardwired control）：物理上将各条控制线与实际的机器指令连接。速度快，电路复杂，设计修改困难。
• 微编程（microprogramming）：所有机器指令被放置到微程序中，将指令转换成规定的控制信号。微程序是一个用微代码编写的翻译器，被存储在计算机固件（ROM、PROM、EPROM等）中，称为控制存储器。设计灵活简单，有助于设计功能强大的指令集。每条指令都需要经过一次额外的翻译过程，会减缓整个程序执行速度。

实际的计算机体系结构

Intel体系结构（CISC复杂指令集）

• CISC机器有数目庞大、长度各异、设计复杂的指令系统，多数指令非常复杂，这些复杂指令的一个小子集就可能显著减慢CPU运行速度。

MIPS体系结构（RISC精简指令集）

• RISC机器主要目的是简化指令，对一些小的但是完整的指令硬连线，提高指令执行速度。在RISC系统中，每条指令只执行一个操作，所有指令长度相同只是格式略有差别，所有算术运算在寄存器之间执行，存储器中的数据不能用作操作数。1982年后，所有新设计的指令系统基本都属于RISC结构或CISC和RISC组合结构。