【正文】 畢業(yè)設(shè)計 (論文 )外文文獻翻譯 譯文： (中央處理器設(shè)計 ) 1 原文出處 ： Madden S,Frankin M,Hellerstein J,et :an acquisitional query processing system for sensor works. 中央處理器設(shè)計 摘要 CPU(中央處理單元 )是數(shù)字計算機的重要組成部分 , 其目的是對從內(nèi)存中接收的指令進行譯碼，同時對存儲于內(nèi)部寄存器、存儲器或輸入 輸出接口單元的數(shù)據(jù)執(zhí)行傳輸、算術(shù)運算、邏輯運算以及控制操作。在外部， CPU 為轉(zhuǎn)換指令數(shù)據(jù)和控制信息提供一個或多個總線并從組件連接到它。在通用計算機開始的第一章， CPU 作為處理器的一部分被屏蔽了。但是 CPU 有可能出現(xiàn)在很多電腦之間，小，相對簡單的所謂微控制器的計算機被用在電腦和其他數(shù)字化系統(tǒng)中，以執(zhí)行限制或?qū)ｉT任務(wù)。例如，一個微控制器出現(xiàn)在普通電腦的鍵盤和檢測器中，但是這些組件也被屏蔽。在這種微控制器中，與我們在這一章中所討論的 CPU 可能十分不同。字長也許更短，（或者說 4或 8個字節(jié)），編制數(shù)量少，指令集有限。 相對而言，性能差，但對完成任務(wù)來說足夠了。最重要的是它的微控制器的成本很低，符合成本效益。 在接下去的幾頁里，我考慮的是兩個計算機的 CPU，一個是一個復(fù)雜指令集計算機（ CISC），另一個是精簡指令集計算機（ RISC）。在詳細的設(shè)計檢查之后，我們比較了兩個 CPU 的性能，并提交了用來提高性能的一些方法的簡要概述。最后，我們討論了關(guān)于一般數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計的設(shè)計思路。 1．雙 CPU的設(shè)計 正如我們前一章提到的，一個典型的 CPU 通常被分成兩部分：數(shù)據(jù)路徑和控制單元。該數(shù)據(jù)路徑由一個功能單元、登記冊和內(nèi)部總線組成，為 在功能單元、存儲器以及其他計算機組件之間提供轉(zhuǎn)移信息的途徑。這個數(shù)據(jù)途徑有可能是流水線，也有可能不是?？刂茊卧梢粋€程序計數(shù)器，一個指令寄存器，控制邏輯，和可能有其他硬或微程序組 2 成。如果數(shù)據(jù)途徑是流水線那么控制單元也有可能是流水線。電腦的 CPU 是一個部分，要么是復(fù)雜指令集計算機（ CISC），要么是精簡指令集計算機（ RISC），有自己的指令集架構(gòu)。 本章的目的是提交兩個 CPU 的設(shè)計，用來說明指令集，數(shù)據(jù)路徑，和控制單元的構(gòu)造特征的合并。該設(shè)計將自上而下，但隨著先前組件設(shè)計的重新使用，來說明指令集構(gòu)架 在數(shù)據(jù)路徑和控制單元上的影響，數(shù)據(jù)路徑上的單元的影響力。這些材料廣泛使用了表格和圖表。 雖然我們重用和改變部分來自其他國家的設(shè)計，其他章節(jié)的背景信息，此處不再重復(fù)。但是，參考資料可以在這本書的前幾節(jié)里找到詳細的信息。 這兩個 CPU是為了一個帶有微程序控制單元的使用非流水線數(shù)據(jù)路徑的復(fù)雜指令集計算機（ CISC）和一個帶有硬控制單元的使用流水線數(shù)據(jù)路徑的精簡指令集計算機（ RISC）而提出的。這些是兩個截然不同指令集架構(gòu)，數(shù)據(jù)路徑和控制單元的組合。 2．復(fù)雜指令集計算機 我們提交的第一個設(shè)計就是為一個帶有非 流水線數(shù)據(jù)路徑和微程序的控制單元的 復(fù)雜指令集計算機而設(shè)計的。我們以介紹指令集構(gòu)架為開端，它包括 CPU 的注冊設(shè)置，教學(xué)形式，和處理方式。復(fù)雜指令集計算機（ CISC）的指令集構(gòu)架的性質(zhì)是通過它的內(nèi)存到內(nèi)存進行數(shù)據(jù)存取操作指示 8 個處理模式，兩長指令格式和指令集，來為它們的執(zhí)行獲得重要的運行序列。 我們?yōu)閷嵤?fù)雜指令集計算機（ CISC）構(gòu)架而設(shè)計一個數(shù)據(jù)路徑。這個數(shù)據(jù)路徑是基于最初描述的 79 節(jié)里，并納入了 810 節(jié)里的 CPU 中。對登記檔案，功能單元以及總線進行修改來支持現(xiàn)有的指令集構(gòu)架。 一旦數(shù)據(jù)路徑被明確 ，被設(shè)計的一個控制單元就去完成指令集構(gòu)架的執(zhí)行?？刂茊卧脑O(shè)計必須涉及硬件組織和微程序組織的一個協(xié)調(diào)的定義。特別是把微程序分成微線路，然而同時也設(shè)計了它們相互影響的音序器，這是設(shè)計的關(guān)鍵部分。即使是指令集領(lǐng)域和有聯(lián)系的同代碼的這種協(xié)調(diào)一致的努力。以下是硬件和微代碼組織的定義，我們詳細描述的是為運行代表的微型代碼個微型線路的基本部分。 指令集構(gòu)架 圖 1 顯示了程序員獲得的一套復(fù)雜指令集計算機（ CISC）的寄存器。所有的注冊有 16 位。這個注冊文件有 8 個寄存器，從 R0 到 R7。 R0 是一個寄存器，當(dāng)它被作為目的 來使用，作為來源和拋棄的結(jié)果來使用時她總是提供零價值。 除了注冊文件，還有一個程序計數(shù)器 pc 和堆棧指針 SP。堆棧指針的出現(xiàn)的情況表明內(nèi)存堆棧是構(gòu)架的一部分。最后登記的是處理器狀態(tài)寄存器 PSR，它包括最右邊的五個位 3 的信息；剩下的都被假定包含 Z,N,C,和V，他們分別位于 03 之間。另外，一個存儲中斷使得 EI處在 4 的位置上。 圖 1 包含了 42 個通過指令集進行的操作。每個操作都一個記憶和精心挑選的同位代碼。根據(jù)一些明確的操作和是否分開操作，將這些操作分成 4 組。另外，這些狀態(tài) 位受到被列開的操作的影響。 圖 1 圖 2給出了 CPU的指令格式。通用指令格式的有五個領(lǐng)域。首先， OPCODE 是指定的操作。接下去的兩個是 MODE 和 S，是被用來確定運算的地址。最后兩個領(lǐng)域是 SRC 和DST，分別是 3位的來源登記和目的地登記領(lǐng)域。此外，還有一個可選的第二個字母 W，隨著一些作為一個操作或一個地址的指示而出現(xiàn)的，而不是隨著其他出現(xiàn)的。 圖 2 OPCODE 的前兩位， IR（ 15： 14），確定了一些明確的操作和格式領(lǐng)域的如何使用。 當(dāng)這 4 些位是 00 時 ，要么是沒有被要求的操作要么是被 OPCODE 隱含的操作的位置。正如圖2(b)顯示的，只有 OPCODE 領(lǐng)域的是需要的。右邊的 4 個 OPCODE 位可以指定多達 16 個操作或帶有暗示的操作地址。 如果 IR 是（ 15： 14）是 01，指令有一個操作，且是數(shù)據(jù)傳輸或數(shù)據(jù)操作指令。因為有了一個操作， MODE 領(lǐng)域就會為獲得它而指定處理方式。單處理可能會涉及 DST 格式里的注冊地址，所以 DST領(lǐng)域也會被引出。 S 領(lǐng)域和 SRC 領(lǐng)域涉及到兩個運算的同時出現(xiàn)，因此不被用于典型的單一的操作指示。但是，切換指令要求有一個切換數(shù) 額來只是到底切換多少位。為獲得最大的靈活性，這個切換數(shù)額是只針對像來源運算一樣的的運算。因此， SAH 領(lǐng)域和 S領(lǐng)域是一個完整的 16 位運算，但它們的值只有 015 是有意義的。對帶有單一運算的 16 位指令來說有足夠的 OPCODE 位。 圖 2給出了指定通過 MODE 領(lǐng)域的處理方式。 MODE 的前兩位指定了 4 中不同的處理類型：注冊、立即、索引以及相關(guān)的程序計數(shù)器 PC。 MODE 的第三位明確是否地址是通過這些被用作間接處理的模式而形成。一個例外就是直接處理，它是通過運用間接立即類型而獲得的。否則，如果第三位等于 0 的，間接處理就不 適用，而如果等于 1 ，間接處理就適用。對指令的注冊類型來說， MONE(2:1)=00 和這個 W字母是不需要的。因為運算或處理是來自注冊。表格的第三欄提供了注冊轉(zhuǎn)換為針對一個操作指令的每個處理模式的聲明。 如果 IR(15:14) 等于 10，然后有兩個地址被用來正確的指令。通用指令的所有領(lǐng)域，其中包括 S和 SRC，被用于為所有指令的案件。其中一個地址，無論是來源或目的地，都使用處理模式。如果 S等于 0，那么來源使用被 MODE 指定的處理模式，且來源是注冊的。如果 S等于 1 那么目的地使用處理方式，且來源是注冊的。注 冊轉(zhuǎn)換為處理結(jié)果的描述在在表 2 第四次和第五次欄已給出了。此外，根據(jù) MODE 領(lǐng)域的內(nèi)容，第二個指令字母 W是一個地址或立即操作，有可能存在，也有可能不存在。 帶有 IR(15:14)=11 的指令是分流的。對切換來說除了 S 領(lǐng)域和 SHA 領(lǐng)域，它的格式和 IR(15:14)=01 一樣的。對于這個類型的所有指令，目的地的地址（而不是操作）成為新的地址放置程序計數(shù)器 PC 里。因此，注冊模式對分支指令是無效的。 在進行下一步之前，明確數(shù)據(jù)路徑來支持指令集構(gòu)架，我們將簡要的說明構(gòu)架的特征來界定是復(fù)雜指令集計算機（ CISC）或是精簡指令集計算機（ RISC）。在第 9章里給出的大部分操作都被包括在指令集里。一些不會顯示的操作是多余的。同樣的動作可以通過使用帶有顯示指令的適當(dāng)?shù)奶幚砟Ｊ絹韺崿F(xiàn)。例如， LD, ST, IN, 和 OUT 都可以通過使用在內(nèi)存映射結(jié)構(gòu)里的 MOVE 指令來實現(xiàn)。通過查看指令的格式，我們發(fā)現(xiàn)大部分指令可以從來自內(nèi)存的操作上進行直接操作。有 8 個處理模式和兩種不同長度的指令格式。此外，有些的指示執(zhí)行復(fù)雜的行動可被視為很可能會超過一個時鐘周期執(zhí)行的步驟的行動。這些特征明確指出這是一個復(fù)雜指令集計算機（ CISC）的架構(gòu)。 數(shù)據(jù)路徑組織 5 不是從頭開始，我們將重新使用非流水線數(shù)據(jù)路徑被雇用在第 810 節(jié)里的微程序控制器，并進行修改。該數(shù)據(jù)路徑顯示在第 810節(jié)，和新的數(shù)據(jù)路徑，是給出的圖 106的基礎(chǔ)上進行修改的。我們對待每個反復(fù)修改的數(shù)據(jù)路徑，都是以注冊文件為開端的。 在第 810節(jié)里，注冊 R8是被作為臨時的存儲位置。在新的微程序的架構(gòu)，有復(fù)雜的指示要跨越許多時鐘周期和執(zhí)行復(fù)雜的動作。因此，更多的臨時存儲需要通過微程序來使用。為了滿足這個需要，我們擴展了注冊文件從 9 登記到 8個登記， R0R7，對計算 機程序員來說是可見的。接下去的 8個登記， R8R15，是被用來作為微程序的臨時存儲，并從程序員那就被隱藏。圖 3提供了一個帶有臨時登記屏蔽的擴展注冊文件的地圖。如前所述，編程 R0 提供的是一個常數(shù) R1 到 R7可提供給程序員使用，編程 R8到 R15 提供通用的臨時存儲被微程序使用，最后 4個編程， R12 到 R15 具有特殊的用途：保持簡單的微型代碼，標(biāo)準(zhǔn)的位置對存儲的操作和被為大多數(shù)指令而執(zhí)行的微代碼所使用的地址來說是必不可少的。因此， R12 是源地址 SA， R13 是源數(shù)據(jù) SD,R14 是目的地地址 DA， R15 是目的地數(shù)據(jù) DD。 我們不能進入 8個基于在指令集內(nèi)可用 3 位登記地址的臨時登記冊。為了解決這個問題，首先，我們提供了來自微指令的 4 位注冊地址，其次，選擇來自這些地址和微指令集的指令之間的微指令位。此外，允許注冊地址的靈活性通過 DST 成為來源和通過 SRC成為目的地，他們是需要操作結(jié)果的允可來直接存放在內(nèi)存中。為了完成這個目標(biāo)，我們通過增加圖 4所示的邏輯來修改登記檔案。該指令集架構(gòu)使用兩個地址，一個 圖 3 是來源操作，一個是像目的地一樣的其他來源。該登記冊檔案使用 B 地址的來源，以及A和 D處理的文件連接在一起，從而 使其他來源和目的地使用同一個地址。雖然在微指令水平上的地址從 3個減少到 2 個是沒必要的，但對在微指令中的注冊地址和指令格式中的匹配使用的登記領(lǐng)域的位的數(shù)量的減少還是必要的。 一個四倍的 2比 1的多路復(fù)用器附屬在兩個地址一個一個的輸入到注冊文件中，在 6 來自微指令的地址和指令的地址之間進行選擇。在微指令中有 5 位的空間是用來合并目的地和來源地址的 DSA，再增加 5位空間給 B 地址 SB。每個領(lǐng)域的第一個位是在微指令（ 0）中的登記地址和指令（ 0）中的登記地址之間進行選擇的。如果一個指令地址被選定了，不管它是被增加的 4 倍 2 比 1 多 功能器確定的 DST 還是 SRC。這個多路復(fù)用器是被第二位的 DST或是 SRC 控制的，取決于它們之間的一個在任何一個微指令中的第一位一個 1，從而確保正確的第二位是用來確定注冊地址的。 0被附加到 DST 和 SRC 的這個三位領(lǐng)域的左邊致使它們能狗處理 RO 到 ，是來自包括四個位的的微指令的地址以致所有的 17 個編程都能被達到。對注冊文檔最后的改變就是取代在帶有在線上他們輸入的開放的集成電路和帶有在線上他們輸出的不變的 0值的文件中的存儲元素 R0。登記檔案結(jié)果的一個特征顯示在圖 104( b)中。 在 8 個被提供的切換指令的基礎(chǔ)上，我們發(fā)現(xiàn)來自第 810 節(jié)的切換器我們需要進行修改。這個修改涉及到切換邏輯的最終的位。對于合乎邏輯的切換， 0 要向前面一樣被插入。對于右邊的算術(shù)轉(zhuǎn)變，她寫的位是即將來的位，對于左邊算術(shù)的轉(zhuǎn)變， 0 是即將來的位。旋轉(zhuǎn)切換要求來自與被給定的切換器的終端相反的位。最后，隨著執(zhí)行要的旋轉(zhuǎn)是作為切換器的兩端的一個輸入而提供執(zhí)行觸發(fā)器的輸出。 這些輸入是由兩個 4比 1多路復(fù)用器提供的，它們是 MUX R 和 MUX L，添加到一個基本的 16位切換器中，所有這些都顯示在圖 5(a)。同時，來自 輸入操作的適當(dāng)?shù)?這些輸入是由兩個 4 比 1 多路復(fù)用器提供的，它們是 MUX R 和 MUX L，添加到一個基本的 16 位切換器中，所有這些都顯示在圖 5(a)。同時，來自輸入操作的適當(dāng)?shù)慕Y(jié)束位必須送交執(zhí)行觸發(fā)器。一個 2 比 1 多路復(fù)用器 MUX SO 選擇的結(jié)束位來傳遞到執(zhí)行觸發(fā)器。新的切換器的特征是在第 810部分上代替了原來的切換器，看在圖 5(b)。 對最初的數(shù)據(jù)路徑的所有修改都顯示在圖 5