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计算机组成



2024年05月18日    Author:Guofei

文章归类: 0x11_算法平台    文章编号: 173

版权声明：本文作者是郭飞。转载随意，但需要标明原文链接，并通知本人 ✉
原文链接：https://www.guofei.site/2024/05/18/computer_organization.html


冯诺依曼结构

冯诺依曼结构的要点

  • 计算机五大组成部分
    • 运算器 CA，central arithmetical
    • 控制器 CC，central control
    • 存储器 M，memory
    • 输入设备，I，input
    • 输出设备，O，output
  • 数据和程序 均以 二进制的形式 不加区别地存放在存储器中
  • 计算机在工作时能够 自动 地从存储器中取出指令并执行

用餐馆做菜来类比

  • 主存：货架。货架上的格子上面放着食材和任务单
  • CPU：厨师。取出货架上的任务单、食材。厨师的动作非常快

cpu

执行一条命令的过程如下

  1. 取址 fetch
    1. 厨师查看下一个任务单对应的货架标号
    2. 根据标号从货架上取出任务单
    3. 更新下一张任务单对应的货架标号
  2. 译码 decode
    1. 查看任务单，发现任务是：取仓库 6 和 A 盘子的原料，炒菜，然后放入盘子A（寄存器）
  3. 执行 execute
    1. 取第 6 格的物品
    2. 取盘子 A 的物品
    3. 炒
    4. 放入 A 盘子
  4. 回写 write-back
  5. 执行下一条命令（回到1）

参考视频：https://www.coursera.org/learn/jisuanji-zucheng/lecture/EwddN/103-feng-nuo-yi-man-jie-gou-de-xiao-gu-shi

计算机结构的简化模型

存储器

上图为存储器

存储器要点：

  • 控制总线用来接收来自CPU的读写新号，或者向CPU反馈读写完成的信号
  • 每个地址对应一个存储单元，对应一个字节（8位二进制）
  • 地址总线决定了能管理多少个存储单元。
    • 32位系统的寄存器宽为 32 位，可以寻址 2^32 = 4GB 内存空间。64位系统则是 2^64 = 16EB 内存空间，不过 64 位通常用地址总线为位为 36、40、48，因为没有必要支持到 16 EB 这么大
  • MAR，Memory Address Register，用于存放 CPU 正在读或者写的存储单元地址
  • MDR，Memory Data Register，用于存放正在读出或者即将写入存储单元的数据

控制器
上图为控制器（CPU）

控制器要点：

  • 指令寄存器，IR，Instruction Register
    • 存放 “正在执行 或者 即将执行的指令”
  • 程序计数器，PC，Program Counter
    • 存放“下一条指令的存储单元地址”，
    • 它有自动增量计数的功能
  • 存储器地址寄存器，MAR，Memory Address Register
  • 存储器数据寄存器，MDR，Memory Data Register
    • MAR 和 MDR 在上面提过了
  • 指令译码部分
    • 对 IR 中的指令进行译码
  • 控制电路
    • 产生控制信号，在时序脉冲的同步下控制各个部件的动作

运算器

上图为运算器

运算器要点

  • 运算器用于算术运算和逻辑运算
    • 常见的算术运算：加减乘除
    • 常见的逻辑运算：与、或、非
  • 核心部件是 ALU，用于完成算术运算和逻辑运算
  • X、Y、Z 是寄存器
  • F（也是寄存器）用于存放运算结果状态，（零、正负、进位、溢出）
  • R0, R1,…, Rn-1 是通用寄存器，其存放的数据可以来自存储器、也可以来自其它通用寄存器或者 ALU 的输出
  • 内部总线：用于 CPU 内部各个部件之间传递数据
    • 例如，CPU 可以命令 R0 中的数据传给 X，这就是通过内部总线来传递的
    • 其电路实现在下面介绍

关于存储器、控制器、运算器的介绍：https://www.coursera.org/learn/jisuanji-zucheng/lecture/1wVRC/104-ji-suan-ji-jie-gou-de-jian-hua-mo-xing

计算机执行指令过程的举例：https://www.coursera.org/learn/jisuanji-zucheng/lecture/8Xyeu/105-ji-suan-ji-zhi-xing-zhi-ling-de-guo-cheng

一个例子

  • 例子是展示 指令 ADD R0, [6]
  • 指令功能：把 R0 存储的内容，加上存储器地址为6的存储单元的内容，然后把结果存放在 R0 中

指令 ADD R0, [6] 全部步骤详解:

  1. 取址
    • 控制器中：PC -> 内部总线 -> MAR
    • 控制器中的 MAR -> 地址总线 -> 存储器中的 MAR
    • 控制器具发出信号：Read，经过 控制总线 传递给存储器
    • 存储器：（控制逻辑操作下），找到 MAR 存放的地址，然后把内容取出来，送到 存储器的 MDR
    • 存储器：控制逻辑，给控制总线反馈状态： Ready
    • 存储器的 MDR -> 数据总线 -> 控制器的 MDR
    • 控制器中：MDR -> 内部总线 -> IR
    • PC 寄存器自增更新
  2. 译码
    • IR -> 指令译码
    • 电路切换到对应的控制状态
  3. 执行
    • IR 发现需要读取 [6] 对应的数据，
    • 过程与步骤1 的取址几乎一样，最后 MDR -> 内部总线 -> Y
    • R0 -> 内部总线 -> X
    • ALU 执行➕
  4. 回写
    • Z -> 内部总线 -> R0

IO 设备（现代往往把 输入设备 和 输出设备 划在一起，例如硬盘）

  • 如何在上面这套流程中加入 IO 设备呢？
  • 入如下图所画，在各种总线上加上 IO 设备
  • 旧的计算机，对于各种设备，都在主板上有的接口和芯片（例如网卡、声卡、打印机、耳机、显示器）
  • 现代计算机，把各种输入输出设备都统一用 南桥芯片 来管理。不过图形计算比较复杂，还是用独立的显卡来处理。

IO

南北桥结构的演变

演变1

  • CPU 通过 北桥 来访问 存储器
  • CPU 担任 CA、CC 功能（计算器和控制器）
  • GPU 也有 CA、CC 功能
  • 直接从硬盘启动时十分复杂的，用 BIOS 来检查主板设备和启动第一条指令。BIOS 是通过 南桥 连接的

演变2

  • CPU直接控制主存
  • CPU加上直接连接显卡
  • 北桥消失，功能拆给CPU和南桥

更多的演变：

  • 把所有的组件整合到单一芯片的集成电路上
  • 手机、平板电脑等

computer2

这种演变得益于芯片技术的进步（摩尔定律）

计算机指令

设计一套简单的指令

  • 我们需要哪些指令？
    • ADD R, M: 把 寄存器 R 中的内容，与 存储器 M 中的内容相加，然后把结果存入 R
    • LOAD R, M: 把 M 中的内容装入 R
    • STORE M, R: 把 R 中的内容存入 M
    • JMP L: 转入 L 指向的存储器中
  • 设计指令本身的格式呢
    • 每条指令都是 2 个字节
    • 第一个字节的高 4 位是操作码。例如 LOAD:0000; ADD:0001; STORE:0010; JMP:0011，这样我们可以共设计出 16 种操作类型
    • 第一个字节的低 4 位是寄存器号，这样我们可以最多支持 16 个寄存器
    • 第二个字节是存储单元地址，所以支持最大内存为 2^8 = 256 个字节
    • 举例来说，指令 ADD R2, [9]，其指令对应的二进制为 0001 0010 0000 1001

题目：使用以上的指令系统，写出一个功能：把 M1 中的内容和 M2 中的内容相加后存入 M3，然后转向 L 处的指令

指令为：

LOAD R3, M1
ADD R3, M2
STORE M3, R3
JMP L

假设 M1=5, M2=6, M3=7, L=18，那么机器语言为

0000 0011 0000 0101
0001 0011 0000 0110
0010 0011 0000 0111
0010 0000 0001 0010

以上程序在内存中，以及如何执行的，见于下图：

instruction

x86 体系结构

x86 体系主要分为 16位、32位、64位

  • 16位的典型型号是 Intel 8086，8088，80186，80188，80286
  • 32位的典型型号是 Intel 80386，80486

8086

基本情况

  • 16 位 CPU
  • 内部通用寄存器为 16 位
  • 对外有 16 根数据线和 20 根地址线。可寻址 2^20 = 1MB

8086

寄存器详解

  • AX、BX、CX、DX 是通用寄存器，每个可以存放 1 个 16 位，或者 2 个 8 位
  • SP、BP、SI、DI 也是通用寄存器，在最早期版本各有任务，随着更细，它们也变成了通用寄存器
  • IP 对应“计算机结构简化模型” 中的 PC 寄存器
    • 会自增，或者依照转移指令等来改变，寻址能力为 2^16 = 64KB
  • FLAGS 标志寄存器，就是上面 “计算机结构简化模型” 中的 F 寄存器。它存放了 2 类数据：1）状态标志，例如是否产生了进位，结果是否为零；2）控制标志，单步还是连续运行，是否允许响应中断。其 16 个二进制位意义如下：
    • 8086_flags
  • CS、DS、ES、SS（Code Segment, Data Segment, Extra Segment, Stack Segment） 是段寄存器
  • 8086 是如何寻址 2^20 = 1MB 呢？
    • 采用段寄存器 + IP
    • 举例来说，段寄存器左移 4 位，（可以看成“段基值”），得到一个 20 位的地址，加上 PC 寄存器的值（可以看成“偏移量”）。两者通过 地址加法器 ，得到一个 20 位的地址，这就是物理地址。这个地址会发送到 地址总线

80386

基本情况

  • 是 80x86 系列的第一款 32 位处理器
  • 支持 32 位算术和逻辑运算，提供 32 位 寄存器
  • 地址总线是 32 位，可寻址 2^32 = 4GB 内存空间

80386

这么做的原因是为了与 8086 向上兼容

x86-64 系列

基本情况

  • 寄存器扩展到 64 位
  • 新增了 8 个通用寄存器（共 16 个）

x86-64

x86 指令

指令的分类

  • 运算类。加减乘除、与或非
  • 传送类。存储器到通用寄存器，通用寄存器到IO接口
  • 转移类。条件转移、无条件转移、过程调用
  • 控制类。暂停、清除标志位。

指令执行的结果

  • 改变通用寄存器内容
  • 改变存储器内容
  • 改变标志位
  • 改变外设端口内容
  • 改变指令指针
  • 其它

一、数据传输指令

指令 功能 语法 示例
MOV 将数据从源操作数传送到目标操作数 MOV dest, src MOV EAX, EBX
PUSH 将操作数压入堆栈顶部 PUSH src PUSH EAX
POP 从堆栈顶部弹出数据到操作数 POP dest POP EBX
XCHG 交换两个操作数的值 XCHG operand1, operand2 XCHG EAX, EBX
LAHF 加载标志寄存器的低8位到AH LAHF LAHF
SAHF 将AH的值存入标志寄存器的低8位 SAHF SAHF
LEA 计算源操作数的有效地址并存入目标寄存器 LEA dest, src LEA EAX, [EBX+ECX*4]
MOVSX 带符号扩展传送 MOVSX dest, src MOVSX EAX, BL
MOVZX 零扩展传送 MOVZX dest, src MOVZX EAX, BL
CMOVcc 条件传送（当条件满足时） CMOVcc dest, src CMOVE EAX, EBX

二、算术运算指令

指令 功能 语法 示例
ADD 执行加法运算 ADD dest, src ADD EAX, EBX
ADC 带进位的加法，包括进位标志 ADC dest, src ADC EAX, EBX
SUB 执行减法运算 SUB dest, src SUB EAX, EBX
SBB 带借位的减法，包括进位标志 SBB dest, src SBB EAX, EBX
INC 操作数加1 INC operand INC EAX
DEC 操作数减1 DEC operand DEC EAX
MUL 无符号乘法 MUL src MUL EBX
IMUL 有符号乘法 IMUL src IMUL EBX
DIV 无符号除法 DIV src DIV EBX
IDIV 有符号除法 IDIV src IDIV EBX
NEG 求二进制补码（取负值） NEG operand NEG EAX
CMP 比较两个操作数，不保存结果，只影响标志位 CMP operand1, operand2 CMP EAX, EBX
CWD AX扩展到DX CWD CWD
CDQ EAX扩展到EDX CDQ CDQ
CQO RAX扩展到RDX CQO CQO

三、逻辑运算指令

指令 功能 语法 示例
AND 按位与 AND dest, src AND EAX, EBX
OR 按位或 OR dest, src OR EAX, EBX
XOR 按位异或 XOR dest, src XOR EAX, EBX
NOT 按位取反 NOT operand NOT EAX
TEST 按位与，不保存结果，只影响标志位 TEST dest, src TEST EAX, EBX

四、移位和旋转指令 指令 | 功能 | 语法 | 示例
————-|————-|—————–|———— SHL/SAL | 逻辑左移，右边补0 | SHL dest, count | SHL EAX, 1 SHR | 逻辑右移，左边补0 | SHR dest, count | SHR EAX, 1 SAR | 算术右移，（指的是保留符号的移位） | SAR dest, count | SAR EAX, 1 ROL | 循环左移 | ROL dest, count | ROL EAX, 1 ROR | 循环右移 | ROR dest, count | ROR EAX, 1 RCL | 包括进位位的循环左移 | RCL dest, count | RCL EAX, 1 RCR | 包括进位位的循环右移 | RCR dest, count | RCR EAX, 1

五、控制转移指令

指令 功能 语法 示例
JMP 无条件跳转 JMP label JMP START
Jcc 条件跳转，根据标志位 Jcc label JE LOOP_START
LOOP 循环，使用计数寄存器 LOOP label LOOP LOOP_START
CALL 调用子程序，保存返回地址 CALL label CALL SUB_ROUTINE
RET 从子程序返回 RET RET
INT 触发软件中断 INT type INT 21h
IRET 从中断服务程序返回 IRET IRET

六、字符串操作指令

指令 功能 语法 示例
MOVS 将数据从源字符串传送到目标字符串 MOVSB（传送字节） / MOVSW（传送字，通常是2字节） / MOVSD（传送双字，通常是4字节） MOVSB
CMPS 字符串比较 CMPSB / CMPSW / CMPSD CMPSB
SCAS 将累加器与目标字符串的数据比较 SCASB / SCASW / SCASD SCASB
LODS 将源字符串的数据装载到累加器 LODSB / LODSW / LODSD LODSB
STOS 将累加器的数据存储到目标字符串 STOSB / STOSW / STOSD STOSB
REP 前缀 重复执行字符串指令 REP instruction REP MOVSB

七、位操作指令

指令 功能 语法 示例
BT 测试某个位的值，并将其存在 CF（进位标志） 中 BT dest, bit_position BT EAX, 2
BTS 测试某个位的值，并将其设置为 1，然后将原值其存在 CF 中 BTS dest, bit_position BTS EAX, 2
BTR 测试某个位的值，并将其设置为 0，然后将原值其存在 CF 中 BTR dest, bit_position BTR EAX, 2
BTC 测试某个位的值，并将其取反，然后将原值其存在 CF 中 BTC dest, bit_position BTC EAX, 2
BSF 找到最低位的1，返回其索引 BSF dest, src BSF EAX, EBX
BSR 找到最高位的1，返回其索引 BSR dest, src BSR EAX, EBX
SETcc 根据条件码设置字节为0或1 SETcc dest SETZ AL

八、标志控制指令

指令 功能 语法 示例
CLC 清除进位标志（CF=0） CLC CLC
STC 设置进位标志（CF=1） STC STC
CMC 取反进位标志 CMC CMC
CLD 清除方向标志（使其自动递增） CLD CLD
STD 设置方向标志（使其自动递减） STD STD
CLI 禁止硬件中断（IF=0） CLI CLI
STI 允许硬件中断（IF=1） STI STI

九、系统指令

指令 功能 语法 示例
HLT 停止处理器执行，直到收到中断 HLT HLT
NOP 空操作，不执行任何操作 NOP NOP
WAIT 等待处理器的忙标志被清除 WAIT WAIT
LOCK 前缀 用于在多处理器环境下，确保指令的原子性 LOCK instruction LOCK INC [EBX]
CPUID 获取CPU的特性和功能信息 CPUID CPUID
IN 从I/O端口读取数据 IN accumulator, port IN AL, DX
OUT 向I/O端口写入数据 OUT port, accumulator OUT DX, AL

十、浮点运算指令

指令 功能 语法 示例
FLD 将浮点数装载到浮点堆栈 FLD src FLD [EBX]
FST 将浮点堆栈顶部的值存储到指定位置 FST dest FST [EBX]
FADD 浮点加法运算 FADD src FADD ST(0), ST(1)
FSUB 浮点减法运算 FSUB src FSUB ST(0), ST(1)
FMUL 浮点乘法运算 FMUL src FMUL ST(0), ST(1)
FDIV 浮点除法运算 FDIV src FDIV ST(0), ST(1)
FCOM 比较浮点堆栈顶部的两个值 FCOM src FCOM ST(1)
FCHS 改变浮点堆栈顶部值的符号 FCHS FCHS

十一、SIMD指令（是一种并行处理技术）

SIMD 指令通过在单个指令中指定多个数据元素的位置，允许处理器在一个指令周期内对这些数据元素执行相同的操作。在进行向量运算时，大大减少指令数量，提高执行效率。

  • 有些高级语言，编译器能够自动识别数据并行性，并优化位 SIMD 指令。例如 GCC 和 Clang 都至此自动向量化优化
  • C/C++ 的 intrinsics 也提供了 SIMD 指令集接口
  • Rust编译器也能自动优化，也可以用 std::arch, std::simd 访问 SIMD 指令
指令类别 功能 示例
MMX 指令 处理并行整数运算，用于多媒体运算 PADDW MM0, MM1
SSE, SSE2, SSE3 并行浮点运算 ADDPS XMM0, XMM1
AVX 指令 扩展SSE，支持更宽的寄存器（256位、512位） VADDPS YMM0, YMM1, YMM2

十二、其他指令

指令 功能 语法 示例
XLAT 根据累加器的值在查找表中检索数据 XLAT XLAT
BOUND 检查操作数是否在数组边界内 BOUND reg, mem BOUND EAX, [EBX]
ENTER 为过程建立栈帧 ENTER nest_level, frame_size ENTER 0, 10h
LEAVE 从过程栈帧中退出 LEAVE LEAVE
UD2 执行时导致无效操作码异常 UD2 UD2

参考资料

Coursera课程：北京大学《计算机组成》

Computer Organization
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