计算机组成原理

1. 计算机系统层次结构

计算机系统从底向上分为多个层次：

应用软件层
    ↓
系统软件层（操作系统、编译器）
    ↓
指令集架构层（ISA）
    ↓
微架构层（数据通路、控制器）
    ↓
数字逻辑层（逻辑门、寄存器）
    ↓
电路层（晶体管、连线）

指令集架构（ISA） 是软件和硬件之间的接口，定义了指令格式、寻址方式、寄存器组等。

2. 指令系统

2.1 指令格式

指令由操作码和操作数组成：

┌──────────┬──────────┬──────────┐
│ 操作码   │ 源操作数  │ 目标操作数 │
│ (opcode) │ (src)    │ (dst)    │
└──────────┴──────────┴──────────┘

指令字长分类：

2.2 寻址方式

2.3 RISC vs CISC

3. CPU 数据通路

3.1 单周期数据通路

单周期处理器每条指令在一个时钟周期内完成：

PC → 指令存储器 → 译码 → 执行 → 数据存储器 → 写回

关键组件：

• PC（程序计数器）：存储下一条指令地址
• 指令存储器：存放指令
• 寄存器文件：32个通用寄存器
• ALU：算术逻辑单元
• 数据存储器：读写数据
• 多路选择器：选择数据来源

时钟周期：取指 + 译码 + 执行 + 访存 + 写回中最慢路径的延迟。

3.2 多周期数据通路

将指令执行拆分为多个时钟周期：

优势：不同指令使用不同周期数，硬件资源可复用。

3.3 ALU 设计

ALU 支持的基本运算：

$\text{ALU 结果} = \begin{cases} A + B & \text{加法} \\ A - B & \text{减法} \\ A \text{ AND } B & \text{与} \\ A \text{ OR } B & \text{或} \\ A \oplus B & \text{异或} \\ A < B ? 1 : 0 & \text{比较} \end{cases}$

标志位：

• Z（Zero）：结果为零
• N（Negative）：结果为负
• C（Carry）：进位
• V（Overflow）：溢出

4. 控制器设计

4.1 硬布线控制器

通过组合逻辑电路直接产生控制信号：

$\text{控制信号} = f(\text{指令操作码}, \text{当前状态}, \text{标志位})$

优点：速度快 缺点：设计复杂，不易修改和扩展

4.2 微程序控制器

将控制信号编码为微指令，存储在控制存储器中：

指令操作码 → 微地址形成部件 → 控制存储器 → 微指令 → 控制信号

微指令格式：

• 水平型：每位对应一个控制信号，并行度高
• 垂直型：编码表示操作，指令短但需译码

优点：灵活，易于修改 缺点：速度较慢（需访问控制存储器）

5. 流水线技术

5.1 基本流水线

五级流水线：

IF → ID → EX → MEM → WB
     IF → ID → EX → MEM → WB
          IF → ID → EX → MEM → WB

理想情况下，$n$ 条指令执行时间：

$T_{pipeline} = (k + n - 1) \times \Delta t$

其中 $k$ 为流水线级数，$\Delta t$ 为时钟周期。

5.2 流水线冒险

数据冒险：后续指令需要前一条指令的结果。

解决方案：

• 数据转发（Forwarding/Bypassing）
• 插入气泡（Stall）
• 指令重排序（编译器优化）

控制冒险：分支指令改变执行流。

解决方案：

• 分支预测（静态/动态）
• 延迟分支
• 提前计算分支结果

结构冒险：多条指令同时访问同一硬件资源。

解决方案：

• 哈佛架构（指令/数据分离）
• 资源复制

5.3 分支预测

静态预测：

• 总是预测不跳转
• 总是预测跳转
• 根据方向预测（向后跳则跳转）

动态预测：

1-bit 预测器：记录上次分支结果

2-bit 预测器（饱和计数器）：

强不跳转(00) → 弱不跳转(01) → 弱跳转(10) → 强跳转(11)

预测准确率：

$P_{2bit} > P_{1bit}$

6. 存储体系

6.1 存储层次结构

寄存器（~1ns, <1KB）
    ↓
L1 Cache（~1ns, 32~64KB）
    ↓
L2 Cache（~5ns, 256KB~1MB）
    ↓
L3 Cache（~10ns, 2~64MB）
    ↓
主存 DRAM（~50ns, 4~128GB）
    ↓
SSD（~100μs, 256GB~4TB）
    ↓
HDD（~10ms, 1~20TB）

6.2 Cache 映射方式

直接映射：

$\text{Cache 行号} = \text{主存块号} \mod \text{Cache 行数}$

全相联映射：主存块可映射到任意 Cache 行。

组相联映射：

$\text{组号} = \text{主存块号} \mod \text{组数}$

每组 $n$ 路，称为 $n$ 路组相联。

6.3 Cache 性能

命中率：

$h = \frac{\text{Cache 命中次数}}{\text{总访问次数}}$

平均访问时间：

$t_{avg} = h \times t_{cache} + (1-h) \times t_{memory}$

替换策略：LRU、FIFO、Random、LFU

写策略：

• 写直达（Write Through）：同时写 Cache 和主存
• 写回（Write Back）：只写 Cache，替换时写回主存

7. I/O 系统

7.1 I/O 控制方式

7.2 DMA 传送

DMA（直接存储器存取）允许 I/O 设备直接与主存交换数据：

$\text{DMA 传送效率} = \frac{\text{数据量}}{\text{传送时间}}$

DMA 与 CPU 可能争用总线，解决方式：

• 周期窃取（Cycle Stealing）
• 交替访存
• CPU 暂停模式

7.3 中断系统

中断处理流程：

1. 中断请求 → 2. 中断判优 → 3. 中断响应
→ 4. 保存现场 → 5. 中断服务 → 6. 恢复现场 → 7. 中断返回

中断优先级通常：机器错误 > 访管 > 程序性中断 > 外部中断 > I/O 中断