高等计算机体系结构-第四讲-预习版1

《高等计算机体系结构》第四讲主要探讨了多周期和流水线微体系结构的设计与优化，这一部分的内容旨在提高计算机指令执行的效率。我们关注的是如何使每条指令的执行时间尽量接近其理想时间，这涉及到对时钟周期的独立设计以及指令执行过程中的状态转换。 在多周期微体系结构中，目标是让每条指令的执行时间与它应有的执行时间相匹配。这意味着设计者需要考虑每条指令所需的不同时钟周期，并在执行过程中引入多个状态。这种设计方法允许指令执行过程中存在多个程序员不可见的中间状态，从而优化指令执行速度。例如，可以选择在一个时钟周期内完成状态转换，或者通过多个时钟周期逐步完成，如A->A+MS1->A+MS2->A+MS3->A'。 多周期设计的优势在于能够针对关键路径进行优化，设计者可以根据指令的最坏情况独立优化，实现基本或平衡设计。此外，它还使得硬件资源能够得到更有效的利用，避免了不必要的资源浪费。例如，如果一条指令需要多次使用某一资源，多周期设计可以让硬件组件被多次重用，而不是为每条指令都配备独立的资源。 性能分析中，关键指标是指令执行时间和程序执行时间，它们可以通过CPI（每条指令周期数）和时钟周期时间来衡量。单周期微体系结构的CPI通常为1，而多周期结构的CPI则因指令而异，设计的目标是降低平均CPI。通过调整CPI和时钟周期长度，可以在性能优化和能耗之间找到平衡。 为了实现多周期设计，引入了微码/微程序控制的思想，通过状态机来描述指令处理的步骤。指令执行周期被分解为多个状态，每个状态负责特定的操作，如取指令、译码、计算地址、取操作数、执行和存储结果。控制信号在状态间传递，决定了机器的行为。 多周期微体系结构是一种通过细化指令执行过程并优化状态转换来提高计算机性能的设计方法。通过灵活调整时钟周期和CPI，可以实现指令并发处理，如流水线和超标量技术，进一步提升系统性能。这一领域的研究和实践对于理解计算机底层工作原理和优化计算机系统具有重要意义。