配套教材：
Computer Organization and Design: The Hardware / Software Interface (5th Edition)
建議先修課程：數字邏輯電路、C / C++、彙編語言。
這是專業必修課《計算機組成原理》的複習指引。建議將本複習指導與博客中的《簡明操作系統原理》配合複習。
在本文的最後附有複習指導的高清截圖。需要掌握的概念在文檔截圖中以藍色標識，並用可讀性更好的字體顯示 Linux 命令和代碼。代碼部分語法高亮。
計算機組成原理不是語言課，本複習指導對用到的編程語言的語法的講解也不會很細緻。如果不知道代碼中的一些關鍵字、指令或函數的具體用法，你應該自行查找相關資料。

第四章處理器

第一節數據通路

1、回憶在數字邏輯電路課程中學習到的內容：集成觸發器作爲計算機的各種芯片中的基本部件，常採用邊沿觸發（edge-trigger）方式進行工作：由專門的時鐘（clock）信號來控制數字電路的動作。只有時鐘在上升沿（正沿）或下降沿（負沿）時，讀寫等動作才被允許進行。這保證了在數字電路的動作期間，輸出結果不因輸入的波動而引起變化，大大提高了計算機的穩定性和抗干擾能力。

2、寄存器堆（register file）指的是多個寄存器組成的陣列通常由快速的靜態隨機讀寫存儲器（SRAM）實現。這種RAM具有專門的讀端口與寫端口，可以多路併發訪問不同的寄存器。每個寄存器用寄存器號（register number）來唯一標識。

3、數據通路（datapath），指的是指令執行過程中，數據所經過的路徑，包括路徑中的部件。
下圖是一個數據通路的一部分。這部分用於實現程序計數器的自增（增加4）和取指令。取到的指令被數據通路的其它部分使用。
本節的圖和表格的內容不用背下來，能看着圖表流利說出不同的指令怎樣通過數據通路即可。

4、基於MIPS指令集架構的處理器中的一個處理分支指令beq的數據通路示例如下：

取指令後，指令中刻畫偏移的立即數進行帶符號擴展。由於MIPS的所有指令都按4字節對齊，所以刻畫偏移的立即數要左兩位。這不需要用到一整個功能完全的位移單元，因爲位移方向和位數都是固定的，所以可以只用高度簡化的硬件。加法器用於根據基址（取指令後爲PC的值+4）和偏移地址來計算出條件分支的目標地址。指令被按照指令格式分成若干部分，傳入相應的端口。Read Register端輸入的是寄存器號（5個bit），Read Data端用於輸出讀取到的數據。一個專門的ALU用於比較beq中的兩個數（從寄存器傳入）是否相等。比較的實現方式是相減，當兩數相等時輸出0。條件判定的結果會被輸出到分支控制邏輯，後者決定是否跳至分支目標。ALU Operation端用於輸入控制信號，ALU根據輸入的不同來執行不同的運算。出於簡便的考慮，ALU的端口並未全部畫出。

5、MIPS指令集允許延遲分支，也就是說無論分支的條件是否成立，有一些指令總是在順序執行或跳至分支之前先執行。

6、以下是基於MIPS的CPU的一條數據通路：

指令根據指令格式拆分成若干部分進入不同端口。R型指令的目標寄存器號和源寄存器號分別進入Write register和Read register端。雖然指令中的一部分也會一同輸入Sign-extend端（當指令格式不包含16位偏移時，輸入的是不正確的內容），但是接下來的MUX會根據控制信號（隨指令的不同而不同）決定輸出哪一路給ALU。ALU的運算結果同時輸入到內存的Address端和Write data端。之後的MUX也會根據指令的類型選擇正確的一路（地址或算術、邏輯等表達式的值）輸出。有的指令要求將內存中的數據輸出到寄存器（例如load指令），那麼MentoReg和RegWrite信號輸入有效，相應數據被寫入寄存器。有的指令只要求將結果寫入寄存器，那麼MemtoReg無效，RegWrite有效，運算結果經過最右側的MUX後被寫入寄存器。

7、以下是基於MIPS的CPU中的一個數據通路的示例：

取指令的時候，指令地址由PC給出，傳入指令內存的Read address端。PC的值和常數4被送入一個單獨的ALU中進行PC的自增。取得的指令從指令內存送入寄存器和負責符號擴展的專用電路。如果指令包含偏移地址，那麼16位的偏移地址在符號擴展後左移2位，通過專門的ALU計算新的地址。由PCSrc端輸入控制信號的MUX會根據指令的類型輸出新的PC值：對非跳轉指令，PC正常+4；如果要求跳轉，就輸出跳轉的目標地址。剩下的部分和上一個圖相同。也就是說這個數據通路比上一個數據通路多了一個功能：處理分支。

8、以下是基於MIPS的CPU的一條更完整的數據通路：

回憶MIPS的指令格式：

可以看出，指令的高6位用於產生控制信號（用藍色線代表傳送控制信號的通路）。R型指令的最低6位，也就是funct部分來控制ALU的動作。ALUOp是高2位。ALUOp和指令的對應關係如下：（X代表無關項（don’t-care term））

funct部分的低4位與ALU執行的運算的對應關係如下：

藍色線代表控制信號的輸入位置。這7個控制信號的無效和有效分別代表的意義如下：

電路圖上沒有標出控制信號PCSrc：這個信號改爲由右上角的與門給出。當beq指令的分支條件滿足時，Branch端和ALU的0輸出端同時輸出高電平，與門輸出高電平，PC的值爲分支的目標地址。
不同類型指令的操作碼和控制信號如下：

至此，一個單週期的實現就基本完成了。這條數據通路已經可以正確執行絕大多數MIPS指令。

9、我們爲上面的數據通路添加無條件跳轉指令。MIPS的跳轉指令j的格式如下：

添加該功能後，執行j的數據通路如下：

右上角多了一個MUX。取完j指令後PC已經加了4，這部分會與跳轉的左移兩位後的偏移合併爲新的地址。

10、雖然上述單週期設計已經能正確工作，但現今的芯片中，除非芯片非常簡單，否則一般不會使用這種設計了。一個芯片能跑多高的頻率，是受最長的數據通路制約的。LOAD指令經過的數據通路一般最長，比如在上述設計中，執行一次要經過5個功能模塊：指令內存、寄存器堆、ALU、數據內存、寄存器堆。雖這個指令能在1週期內完成，不過就因爲這個週期最長的指令，我們不能把芯片的運行頻率設定得過高，否則該指令就無法在1週期內正確執行完畢。下一節我們介紹流水線，這是進一步提升性能的重要方式。