【正文】 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(jì) 摘要 CPU(中央處理單元 )是數(shù)字計(jì)算機(jī)的重要組成部分 , 其目的是對(duì)從內(nèi)存中接收的指令進(jìn)行譯碼，同時(shí)對(duì)存儲(chǔ)于內(nèi)部寄存器、存儲(chǔ)器或輸入輸出接口單元的數(shù)據(jù)執(zhí)行傳輸、算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)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(gè)或多個(gè)總線并從組件連接到 它。在通用計(jì)算機(jī)開(kāi)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(duì)簡(jiǎn)單的所謂微控制器的計(jì)算機(jī)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(mén)任務(wù)。例如，一個(gè)微控制器出現(xiàn)在普通電腦的鍵盤(pán)和檢測(cè)器中，但是這些組件也被屏蔽。在這種微控制器中，與我們?cè)谶@一章中所討論的 CPU 可能十分不同。字長(zhǎng)也許更短，（或者說(shuō) 4或 8個(gè)字節(jié)），編制數(shù)量少，指令集有限。相對(duì)而言，性能差，但對(duì)完成任務(wù)來(lái)說(shuō)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(yè)里，我考慮的是兩個(gè)計(jì)算機(jī) 的 CPU，一個(gè)是一個(gè)復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)（ CISC），另一個(gè)是精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)（ RISC）。在詳細(xì)的設(shè)計(jì)檢查之后，我們比較了兩個(gè) CPU 的性能，并提交了用來(lái)提高性能的一些方法的簡(jiǎn)要概述。最后，我們討論了關(guān)于一般數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)思路。 1．雙 CPU的設(shè)計(jì) 正如我們前一章提到的，一個(gè)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(gè)功能單元、登記冊(cè)和內(nèi)部總線組成，為在功能單元、存儲(chǔ)器以及其他計(jì)算機(jī)組件之間提供轉(zhuǎn)移信息的途徑。這個(gè)數(shù)據(jù)途徑有可能是流水線，也有可能不是?？刂茊卧梢粋€(gè)程序計(jì)數(shù)器，一 個(gè)指令寄存器，控制邏輯，和可能有其他硬或微程序組成。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(gè)部分，要么是復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)（ CISC），要么是精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)（ RISC），有自己的指令 1 集架構(gòu)。 本章的目的是提交兩個(gè) CPU 的設(shè)計(jì)，用來(lái)說(shuō)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(jì)將自上而下，但隨著先前組件設(shè)計(jì)的重新使用，來(lái)說(shuō)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(lái)自其他國(guó)家的設(shè)計(jì)， 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(shū)的前幾節(jié)里找到詳細(xì)的信息。 這兩個(gè) CPU是為了一個(gè)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(jì)算機(jī)（ CISC）和一個(gè)帶有硬控制單元的使用流水線數(shù)據(jù)路徑的精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)（ RISC）而提出的。這些是兩個(gè)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(jì)算機(jī) 我們提交的第一個(gè)設(shè)計(jì)就是為一個(gè)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(jì)算機(jī)而設(shè)計(jì)的。我們以介紹指令集構(gòu)架為開(kāi)端，它包括 CPU 的注冊(cè)設(shè)置，教學(xué)形式，和處理 方式。復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)（ CISC）的指令集構(gòu)架的性質(zhì)是通過(guò)它的內(nèi)存到內(nèi)存進(jìn)行數(shù)據(jù)存取操作指示 8 個(gè)處理模式，兩長(zhǎng)指令格式和指令集，來(lái)為它們的執(zhí)行獲得重要的運(yùn)行序列。 我們?yōu)閷?shí)施復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)（ CISC）構(gòu)架而設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)據(jù)路徑。這個(gè)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(duì)登記檔案，功能單元以及總線進(jìn)行修改來(lái)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(jì)的一個(gè)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(jì)必須涉及硬件組織和微程序組織的一個(gè)協(xié)調(diào)的定義。特別是把微程序分成微線路，然而同時(shí)也設(shè)計(jì)了它們相互影響的音序器，這是設(shè)計(jì)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?cè)敿?xì)描述的是為運(yùn)行代表的微型代碼個(gè)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(jì)算機(jī)（ CISC）的寄存器。所有的注冊(cè)有 16 位。這個(gè)注冊(cè)文件有 8 個(gè)寄存器，從 R0 到 R7。 R0 是一個(gè)寄存器，當(dāng)它被作為目的來(lái)使用，作為來(lái)源和拋棄的結(jié)果來(lái)使用時(shí)她總是提供零價(jià)值。 除了注冊(cè)文件，還有一個(gè)程序計(jì)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(gè)位的信息；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(gè)存儲(chǔ)中斷使得 EI處在 4 的位置上。 2 圖 1 包含了 42 個(gè)通過(guò)指令集進(jìn)行的操作。每個(gè)操作都一個(gè)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(kāi)操作，將這些操作分成 4 組。另外，這些狀態(tài)位受到被列開(kāi)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(gè)領(lǐng)域。首先， OPCODE 是指定的操作。接下去的兩個(gè)是 MODE 和 S，是被用來(lái)確定運(yùn)算的地址。最后兩個(gè)領(lǐng)域是 SRC 和DST，分別是 3位的來(lái)源登記和目的地登記領(lǐng)域。此外，還有一個(gè)可選的第二個(gè)字母 W，隨著一些作為一個(gè)操作或一個(gè)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)這些位是 00 時(shí) ，要么是沒(méi)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(gè) OPCODE 位可以指定多達(dá) 16 個(gè) 3 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(gè)操作，且是數(shù)據(jù)傳輸或數(shù)據(jù)操作指令。因?yàn)橛辛艘粋€(gè)操作， MODE 領(lǐng)域就會(huì)為獲得它而指定處理方式。單處理可能會(huì)涉及 DST 格式里的注冊(cè)地址，所以 DST領(lǐng)域也會(huì)被引出。 S 領(lǐng)域和 SRC 領(lǐng)域涉及到兩個(gè)運(yùn)算的同時(shí)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(gè)切換數(shù)額來(lái)只是到底切換多少位。為獲得最大的靈活性，這個(gè)切換數(shù)額是只針對(duì)像來(lái)源運(yùn)算一樣的的運(yùn)算。因此， SAH 領(lǐng)域和 S領(lǐng)域是一個(gè)完整的 16 位 運(yùn)算，但它們的值只有 015 是有意義的。對(duì)帶有單一運(yùn)算的 16 位指令來(lái)說(shuō)有足夠的 OPCODE 位。 圖 2給出了指定通過(guò) 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(lèi)型：注冊(cè)、立即、索引以及相關(guān)的程序計(jì)數(shù)器 PC。 MODE 的第三位明確是否地址是通過(guò)這些被用作間接處理的模式而形成。一個(gè)例外就是直接處理，它是通過(guò)運(yùn)用間接立即類(lèi)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(duì)指令的注冊(cè)類(lèi)型來(lái)說(shuō)， MONE(2:1)=00 和這個(gè) W字母是不需要的。因?yàn)檫\(yùn)算或處理是來(lái)自注 冊(cè)。表格的第三欄提供了注冊(cè)轉(zhuǎn)換為針對(duì)一個(gè)操作指令的每個(gè)處理模式的聲明。 如果 IR(15:14) 等于 10，然后有兩個(gè)地址被用來(lái)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(gè)地址，無(wú)論是來(lái)源或目的地，都使用處理模式。如果 S等于 0，那么來(lái)源使用被 MODE 指定的處理模式，且來(lái)源是注冊(cè)的。如果 S等于 1 那么目的地使用處理方式，且來(lái)源是注冊(cè)的。注冊(cè)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(gè)指令字母 W是一個(gè)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(duì)切換來(lái)說(shuō)除了 S 領(lǐng)域和 SHA 領(lǐng)域，它的格式和 IR(15:14)=01 一樣的。對(duì)于這個(gè)類(lèi)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(jì)數(shù)器 PC 里。因此，注冊(cè)模式對(duì)分支指令是無(wú)效的。 在進(jìn)行下一步之前，明確數(shù)據(jù)路徑來(lái)支持指令集構(gòu)架，我們將簡(jiǎn)要的說(shuō)明構(gòu)架的特征來(lái)界定是復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)（ CISC）或是精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)（ 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(huì)顯示的操作是多余的。同樣的動(dòng)作可 以通過(guò)使用帶有顯示指令的適當(dāng)?shù)奶幚砟Ｊ絹?lái)實(shí)現(xiàn)。例如， LD, ST, IN, 和 OUT 都可以通過(guò)使用在內(nèi)存映射結(jié)構(gòu)里的 MOVE 指令來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)查看指令的格式，我們發(fā)現(xiàn)大部分指令可以從來(lái)自?xún)?nèi)存的操作上進(jìn)行直接操作。有 8 個(gè)處理模式和兩種不同長(zhǎng)度的指令格式。此外，有些的指示執(zhí)行復(fù)雜的行動(dòng)可被視為很可能會(huì)超過(guò)一個(gè)時(shí)鐘周期執(zhí)行的步驟的行動(dòng)。這些特征明確指出這是一個(gè)復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)（ CISC）的架構(gòu)。 數(shù)據(jù)路徑組織 不是從頭開(kāi)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(jìn)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 4 的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改的。我們對(duì)待每個(gè)反復(fù)修改的數(shù)據(jù)路徑，都是以注冊(cè)文件為開(kāi)端的。 在第 810節(jié)里，注冊(cè) R8是被作為臨時(shí)的存儲(chǔ)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(shí)鐘周期和執(zhí)行復(fù)雜的動(dòng)作。因此，更多的臨時(shí)存儲(chǔ)需要通過(guò)微程序來(lái)使用。為了滿足這個(gè)需要，我們擴(kuò)展了注冊(cè)文件從 9 登記到 8個(gè)登記， R0R7，對(duì)計(jì)算機(jī)程序員來(lái)說(shuō)是可見(jiàn)的。接下去的 8個(gè)登記， R8R15，是被用來(lái)作為微程序的臨時(shí)存儲(chǔ)，并從程序員那就被隱藏。圖 3提供了一個(gè)帶有臨時(shí)登 記屏蔽的擴(kuò)展注冊(cè)文件的地圖。如前所述，編程 R0 提供的是一個(gè)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(shí)存儲(chǔ)被微程序使用，最后 4個(gè)編程， R12 到 R15 具有特殊的用途：保持簡(jiǎn)單的微型代碼，標(biāo)準(zhǔn)的位置對(duì)存儲(chǔ)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(lái)說(shuō)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?cái)?shù)據(jù) DD。 我們不能進(jìn)入 8個(gè)基于在指令集內(nèi)可用 3 位登記地址的臨時(shí)登記冊(cè)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，首先，我們提供了來(lái)自微指令的 4 位注冊(cè) 地址，其次，選擇來(lái)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(cè)地址的靈活性通過(guò) DST 成為來(lái)源和通過(guò) SRC成為目的地，他們是需要操作結(jié)果的允可來(lái)直接存放在內(nèi)存中。為了完成這個(gè)目標(biāo)，我們通過(guò)增加圖 4所示的邏輯來(lái)修改登記檔案。該指令集架構(gòu)使用兩個(gè)地址，一個(gè) 圖 3 是來(lái)源操作，一個(gè)是像目的地一樣的其他來(lái)源。該登記冊(cè)檔案使用 B 地址的來(lái)源，以及A和 D處理的文件連接在一起，從而使其他來(lái)源和目的地使用同一個(gè)地址。雖然在微指令水平上的地址從 3個(gè)減少到 2 個(gè)是沒(méi)必要的，但對(duì)在微指令中的注冊(cè)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(gè)四倍的 2比 1的多路復(fù)用器附屬在兩個(gè)地址一個(gè)一個(gè)的輸入到注冊(cè)文件中，在來(lái)自微指令的地址和指令的地址之間進(jìn)行選擇。在微指令中有 5 位的空間是用來(lái)合并目的地和來(lái)源地址的 DSA，再增加 5位空間給 B 地址 SB。每個(gè)領(lǐng)域的第一個(gè)位是在微指令 5 （ 0）中的登記地址和指令（ 0）中的登記地址之間進(jìn)行選擇的。如果一個(gè)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(gè)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(gè)在任何一個(gè)微指令中的第一位一個(gè) 1，從而確保正確的第二位是用來(lái)確定注冊(cè)地址的。 0被附加到 DST 和 SRC 的這個(gè)三位領(lǐng)域的左邊致使它們能狗處理 RO 到 ，是來(lái)自包括四個(gè)位的的微指令的地址以致所有的 17 個(gè)編程都能被達(dá)到。對(duì)注冊(cè)文檔最后的改變就是取代在帶有在線上他們輸入的開(kāi)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(chǔ)元素 R0。登記檔案結(jié)果的一個(gè)特征顯示在圖 104( b)中。 在 8 個(gè)被提供的切換指令的基礎(chǔ)上，我們發(fā)現(xiàn)來(lái)自第 810 節(jié)的切換器我們需要進(jìn)行修改。這個(gè)修改涉及到切換邏輯的最終的位。對(duì)于 合乎邏輯的切換， 0 要向前面一樣被插入。對(duì)于右邊的算術(shù)轉(zhuǎn)變，她寫(xiě)的位是即將來(lái)的位，對(duì)于左邊算術(shù)的轉(zhuǎn)變， 0 是即將來(lái)的位。旋轉(zhuǎn)切換要求來(lái)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(gè)輸入而提供執(zhí)行觸發(fā)器的輸出。 這些輸入是由兩個(gè) 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(gè)基本的 16位切換器中，所有這些都顯示在圖 5(a)。同時(shí)，來(lái)自輸入操作的適當(dāng)?shù)?這些輸入是由兩個(gè) 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(gè)基本的 16 位切換器中，所有這些都 顯示在圖 5(a)。同時(shí)，來(lái)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(gè) 2 比 1 多路復(fù)用器 MUX SO 選擇的結(jié)束位來(lái)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(lái)的切換器，看在圖 5(b)。 對(duì)最初的數(shù)據(jù)路徑的所有修改都顯示在圖 5上。作為設(shè)計(jì)過(guò)程的一個(gè)部分，新的數(shù)據(jù)路徑需要進(jìn)行檢查，以確保它具有執(zhí)行指令集和處理方式的所有必要的能力。當(dāng)然，一些已經(jīng)做出的決定就不需要再進(jìn)行討論了。例如，沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的乘法和部分硬件，這些操作必須被微程序執(zhí)行從而控制數(shù)據(jù)路徑。 微程