处理器设计案例研究

# 处理器设计案例研究 ## 1 处理器基础特性 在处理器设计中，一些基础特性影响着其性能和功能。部分处理器的索引寄存器有特殊用途，当它作为暂存器（累加器）时可正常使用，但作为索引时其内容假定为零。若指令中的 X2 字段为零，则不指定索引。短位移字段在寻址范围上容易引起混淆，不过索引寄存器为 32 位，可使用地址常量，通过在索引寄存器中加载 32 位地址常量，能获得高达 4GB 的寻址空间。 RS 指令可加载或存储多个寄存器，具备有限的向量运算能力。R3 指定寄存器集的上限，R1 指定下限，仅剩下一个索引寄存器 B2 作为基址。SI 指令中，I2 字段包含一个立即字节，目的操作数在内存中，索引字段为 B1，D1 是 12 位偏移量。SS 指令为六字节，可将 256 字节的块从一个内存位置移动到另一个内存位置，一字节的 L（长度）指定块大小，每个地址只能指定一个索引寄存器。 处理器还提供了对 32 位、64 位或 128 位操作数进行舍入、归一化和浮点运算的指令。每台机器可能使用两级分页的虚拟内存，虚拟内存有一个长达 4GB 的单一线性段。例如，第二个源操作数的 32 位虚拟地址是 D2、R[X2] 和 R[B2] 的和，虚拟地址 VA 是一个有序三元组 (S, P, D)，其中 S 是段号，P 是页号，D 是位移。整数 S 是一级页索引或页目录索引，用于在段表 ST 中获取页表 PT 的基地址；整数 P 是二级页索引，用于在 PT 中获取页帧号 PFN。 每台机器支持 16 个或更多的 I/O 通道，每个通道可连接 256 个 I/O 设备，因此最多 4096 个 I/O 设备可通过通道访问中央内存。此外，机器支持特权 I/O 指令，操作系统可靠。 ## 2 精简指令集计算机（RISC） 20 世纪 80 年代的 VAX 机器是一种快速的复杂指令集计算机，有 304 条指令和 21 种寻址模式，其设计理念是“越多越好”。但 VAX 处理器的复杂性引发了计算机设计的革命，设计理念转变为“少即是多”。早期的 CDC6600 和 IBM801 就是 RISC 机器，直到 Patterson 和 Hennessy 发表研究成果后，RISC 概念才受到广泛关注。 RISC 机器具有以下特点： - 统一的 32 位指令长度。 - 六位操作码和三个地址。 - 采用加载/存储架构，进行寄存器 - 寄存器操作。 - 拥有大量寄存器，32 个或更多。 - 采用硬连线流水线。 RISC 机器的指令逻辑格式基本相同。RR 指令中，六位操作码后依次是五位源寄存器 1、五位源寄存器 2、五位目的寄存器和 11 位扩展操作。RX 指令包含一个内存地址，除操作码和源寄存器 1 外，源寄存器 2 字段包含一个索引寄存器地址和 16 位位移。比较和条件分支操作合并为一条指令，通常使用相对寻址模式，分支地址是相对位移和程序计数器的和。 由于指令长度固定，从指令缓存中检索指令很容易。不过，这种设计在早期第二代计算机中就有尝试，如 IBM 704 和 PDP - 10 等，它们将指令映射到 36 位的内存字中，导致部分位未充分利用，代码尺寸较大。 典型的 RISC 机器支持 32 个通用寄存器（GR）和 32 个浮点寄存器（FR）。大量寄存器有两个优点：一是在子程序调用时，参数通过寄存器传递而非栈，减少了内存引用次数，返回时也无需弹出栈；二是寄存器可用于存储局部和全局变量，编译器可生成代码消除数据依赖，从而在执行单元中实现并行操作。但缺点是中断时上下文切换较慢，因为保存和恢复大量寄存器需要更长时间。 RISC 机器对大型机和个人电脑未构成威胁，Power PC 在嵌入式系统中很受欢迎，原因如下： - 缺乏复杂的 I/O 结构。 - 没有分页保护，存在开销，在多程序系统中竞争力不足。 - 缺乏市场时机和动力。 ### 2.1 Power PC POWER 代表性能优化的增强型 RISC 技术，该机器旨在运行类似 UNIX 的操作系统，用于科学和商业应用。CPU 采用硬连线流水线，有 64 个通用寄存器和 64 个浮点寄存器。早期型号支持 32 位寄存器，后期型号将寄存器大小增加到 64 位。芯片有 40 位地址总线和 64 位数据总线以支持 PCI。其流水线 CPU 有多个独立执行单元，包括定点单元（FXU）、浮点单元（FPU）、加载/存储单元（LSU）、分支处理单元（BPU）和完成单元（CU），CU 类似于按程序顺序退休指令的退休单元（RU）。系统还支持指令队列、指令缓存和数据缓存，流水线能在一个时钟周期内执行每个阶段。 处理器有转换后备缓冲器（TLB）和内存管理单元（MMU）以支持两级分页系统，与 IBM 360/370 大型机一样，是线性段系统。虚拟地址 VA 是有序三元组 (S, P, D)，其中 S 为 4 位，P 为 16 位，D 为 12 位，页大小为 4KB，段大小为 256MB，虚拟地址空间为 4GB，映射后物理地址空间也为 4GB。后期型号支持 64 位虚拟地址，物理地址增加到 44 位（16TB）。 ### 2.2 Alpha 处理器 Alpha 芯片是市场上第一款 64 位微处理器，时钟频率高达 417Mhz，具有以下设计特点： - 32 个通用寄存器和 32 个浮点寄存器，每个寄存器 64 位。 - 没有整数除法指令，进行整数除法时需使用浮点运算分三步完成，且除法前后需要进行数据转换。 - 支持基于寄存器内容的条件移动指令，旨在不使用分支实现 IF - THEN - ELSE 结构。 - 拥有大的虚拟地址空间（55 位）和物理地址空间（48 位）。 - 采用三级线性分页系统。 Alpha 也使用固定长度的 32 位指令，每条指令有六位操作码和三个地址。低型号中每个寄存器为 32 位，高型号为 64 位并带有 64 位加法器。 其虚拟地址 VA 是有序四元组，支持非常大的虚拟地址空间。例如，55 位的 VA 是程序地址，为避免单级分页系统中页表过大的问题，将大页号分为三个字段：P1、P2 和 P3，分别为一级、二级和三级页索引，VA 的低位构成页内位移 D。TLB 条目包含大页号 (P1, P2, P3)、32 位页帧号 PF 以及控制位。 地址转换时，硬件先搜索 TLB，若未匹配则使用三级页表搜