《计算机组织结构》期末复习-第15讲-指令周期和指令流水线

原创 已于 2023-12-19 23:39:33 修改 · 1.3k 阅读 · 23 ·
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于 2023-12-19 22:38:14 首次发布
本文详细介绍了指令周期的各个阶段，如取指、间址和执行，以及流水线的概念，包括两阶段、六阶段和超流水线的原理。着重讨论了流水线中的冒险问题，如结构冒险、数据冒险和控制冒险，以及解决这些问题的方法，如预测和提前判断策略。

第15讲-指令周期和指令流水线

原文地址

指令周期

  1. 指令周期：处理单个指令的过程（时间）
    • 取指周期：从内存中提取一条指令
    • 执行周期：执行所提取的指令
  2. 只有当机器关闭、发生某种不可恢复的错误或遇到停止计算机的程序指令时，程序执行才会停止
    48592052bac3099b3b2b6a6bc730825 image-20231219140509286
  3. 间址周期
    • 指令的执行可能涉及一个或多个存储器中的操作数，它们每个都要求一次存储器访问
    • 使用间接寻址，还需要额外的存储器访问
    • 间址周期：把间接地址的读取看成是一个额外的指令子周期
    80fffef1906b6d92b4b7840982879dc
    - 取操作数发生了2次
  4. CPU的任务
    • 取指令：CPU 必须从存储器（寄存器、cache 、主存）读取指令
    • 解释指令：必须对指令进行译码，以确定所要求的动作
    • 取数据：指令的执行可能要求从存储器或输入/输出（I/O）模块中读取数据
    • 处理数据：指令的执行可能要求对数据完成某些算术或逻辑运算
    • 写数据：执行的结果可能要求写数据到存储器或I/O 模块
  5. CPU需求：寄存器
    • CPU需要在指令周期中临时保存指令和数据
    • CPU需要记录当前所执行指令的位置，以便知道从何处得到下一条指令
    • CPU需要一些小容量的内部存储器
      • 假定CPU 有：
        • 1个存储地址寄存器（MAR）
        • 1个存储缓冲寄存器（MBR）/ 存储数据寄存器（MDR）
        • 1个程序计数器（PC）
        • 1个指令寄存器（IR）

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