计算机系统基础－－第五章(程序的执行)

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按照ISA的复杂程度而言，有复杂指令集（CISC）和精简指令集（RISC）两种类型的计算机。而intel就是属于前者

程序执行的概述

指令周期：CPU取出并执行一条指令的时间成为指令周期，不同指令的周期时间可能不同。
执行程序顺序:

1
2
3
4
5
6
1、取指令：从pc所支出的存储单元取出指令送到指令寄存器
2、指令译码：例如，mov $0x0,%eax，将立即数送到寄存器ebp中
3、计算源操作数地址并取操作数：根据寻址方式确定源操作数地址计算方式，若是存储器数据，则最多一次
4、执行数据操作：在ALU或加法器等运算部件中取出的操作数进行计算
5、计算目的操作数地址并存结果：根据寻址方式确定目的操作数地址计算方式，若是存储器数据，则最多一次，若是寄存器数据，则在进行数据操作时直接存结果到寄存器
6、计算下一条指令地址：顺序执行时，将pc加上当前指令长度即可。如果是转移类指令时，需要根据条件标识、操作码和寻址方式确定下一条指令

基本操作：

1
2
3
4
1、读取某储存单元内容(可能是指令或操作数或操作数地址)，并将其装入某个寄存器。
2、把一个数据从某个寄存器存储到给定存储单元。
3、把一个数据从某个寄存器传送到另一个寄存器或ALU。
4、在ALU中进行某种算术运算或逻辑运算，并将结果送到某个寄存器中。

cup的基本功能和组成

由程序计数器(PC),指令寄存器(IR)，指令译码器(ID),脉冲源及起停控制逻辑，时序信号产生部件，操作控制信号形成部件，总线控制逻辑，终端机构组成

打断程序正常执行的事件

1、内部异常：源自于正在运行程序本身，来自于cpu内部。是必然，同步事件。
2、外部中断：源自于正在运行程序的条件，来足浴cpu外部，是偶然，异步事件。

数据通路基本逻辑和工作原理

操作元件：多路选择器(MUX)，加法器(ADDER)，算术逻辑部件(ALU)，译码器(Decoder)
状态元件：D触发器，这需要建立时间以及保持时间，也称触发器的锁存延迟。
数据通路的时钟周期：cycle Time = clk-to-Q(稳定时间)+Longest Delay(处理时间)+ 建立时间+时钟偏移。
工作原理：
simpleBus
数据通路中的部件之间可以通过总线方式连接，ALU及所有的寄存器通过一条内部的公共总线连接起来，已构成单总线结构数据通路，因为在cpu内部成为cpu内总线。
1、完成算术或逻辑运算

1
2
3
4
其完成R[R3]<-R[R1]+R[R2]操作如下：
1、R1(out),Y(in)
2、R2(out),add,Z(in)
3、Z(out),R3(in)

2、从内存读取一个字(指令或数据或数据的地址)

1
2
3
4
其完成R[R2]<-M[R[R1]]操作如下：
1、R1(out),MAR(in)
2、read,WMFC(使cpu进行等待)
3、MAR(out),R2(in)

3、把一个字(数据)写入内存

1
2
3
4
其完成M[R[R2]]<-R[R1]操作如下：
1、R1(out),MDR(in)
2、R2(out),MAR(in)
3、write,WMFC

流水线方式下命令的执行

想象以下，你有一堆衣服，有洗，甩干，晾三个操作，分别时间是40,30,20。有洗衣机和甩干机，晾必须得自己操作，当然，洗衣间衣服的时间是40+30+20,若洗n件衣服，依然还是使用这种算法，则总时间为n(40+30+20),而我们最好的方法是：

在洗第n件衣服时，正好在甩干第n-1件，在晾第n-2件。而大家都同时以40分钟时间为标准，因此。最后的总时间为：40n+30+20，节省不少时间。
在计算机中也是如此，设计原则是：
指令流水段个数以最复杂指令所用的功能段数为准，流水段的长度以最复杂的功能段的操作所用的时间为准。
因此，比较适合流水线的指令集特征为：
1、指令长度尽量一致。
2、指令格式尽量规整，尽量保证源寄存器的位置相同
3、采用load/store型指令风格(指令集中只有load指令和store指令能访问内存储器，其他一律不行)
4、数据和指令要在寄存器中“对齐存放”

流水线方式下出现问题

1、结构冒险：可能逻辑A与逻辑D存放的正好是同一个寄存器，而同时需要运行这条指令，造成结构冒险，由于硬件共享产生的问题。
解决方案：
(1)、规定一个部件的每条指令只能使用一次，而且只能特定阶段使用
(2)、通过设置多个独立的部件来避免资源的冲突

2、数据冒险：后面的指令用到前面指令的运算结果，前面的指令还没有完成，结果还没有算出，造成数据冒险。
解决方案：
(1)、由编译器在数据相关的指令之间加若干个nop(空操作指令)指令，等待上一条数据的产生
(2)、采用数据转发机制，即结果出来后通过旁路放到相关的exce阶段的ALU输入端
(3)、通过硬件阻塞(插入气泡)来延迟load命令执行
(4)、通过寄存器的读写操作进行特殊处理，保证在一个时钟的前半周期进行寄存器写，在后半期进行寄存器读。

3、控制冒险:
由于中断或转移指令的执行顺序，可能发生控制冒险。
可通过插入气泡或插入空操作符解决。

小结：

计算机程序的运行并没有那么简单，从简单的代码，转化为汇编之后，再变成单条的运行，之间发生了奇妙的变化，这章的学习让我明白软件的运行并不是简单我们看到的代码，而是分解之后单条单条的汇编代码，每条汇编代码又需要执行条小周期，才能完成一条汇编代码。而每条小周期还能变成一个完整的流水线。即使每个流水线都是有各种各样的问题，但解决流水线问题之后，速度是质的提升。这种思想也改变了我的思维，对代码效率的考虑。