4. 处理器基础

# 处理器结构

# 普林斯顿/冯·诺依曼架构

普林斯顿架构（又称冯·诺依曼架构）的特点是指令和数据共用同一个存储器。在这种架构中，CPU 处理器由控制单元和计算单元组成。

# 哈佛架构

与普林斯顿架构不同，哈佛架构将指令存储器和数据存储器分开，使得 CPU 可以同时获取指令和数据，从而提高处理效率。

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# 程序执行流程

程序通常通过以下两种方式转化为机器可以执行的指令：

1. 编译：高级语言 -> 编译器 -> 汇编语言 -> 汇编器 -> 机器语言。这种方式将整个程序一次性编译成可执行文件。
2. 解释：高级语言 -> 解释器 -> 机器语言。这种方式逐行解释并执行程序，不产生独立的编译文件。

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# 寄存器与存储器的比较

特性	寄存器	存储器
访问方式	以编号形式访问	以地址形式访问
并行访问	可以同时访问不同的寄存器	不可同时访问不同的地址
数量/容量	数量少	地址范围大
访问速度	快	慢

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# 指令集与寻址方式

# 指令集分类

指令集根据设计理念分为三类：

• 精简指令集（RISC）：指令数量较少，每条指令功能简单。
• 复杂指令集（CISC）：指令数量较多，每条指令功能复杂。
• 最简指令集（URISC）：一种理论上存在的指令集，只有极少数指令。

# 寻址方式

寻址方式决定了处理器如何找到操作数的位置。常见的寻址方式包括：

• 寄存器寻址：直接在指定的寄存器中读取或写入数据。
• 立即数寻址：指令中包含的操作数就是可以直接使用的立即数。
• 基址-偏移寻址：通过“基址 + 立即数偏移量”计算出目的地址。例如，lw $s0, 4($t0) 表示从 $t0 寄存器地址加上 4 字节偏移量后的内存位置加载数据到 $s0。
• PC 相对寻址：通过“程序计数器（PC）+ 立即数”计算出目标地址。主要用于跳转指令，如 beq $t0, $t1, imm。
• 伪直接寻址：用于绝对地址跳转。它将 PC 的高 4 位固定，并用指令中的低 28 位指定目标地址。例如，j imm 属于此类。

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# 其它

# 可计算性与图灵完备

• 停机问题表明，计算机不可能求解所有问题。
• 图灵完备性是判断一个计算系统是否能够支持通用算法的能力。一个系统如果是图灵完备的，理论上它就能模拟任何图灵机可以完成的计算。

# 多周期处理器控制信号

• 为什么需要 IRWrite？ IR（指令寄存器）需要保存当前指令，直到该指令执行结束，以便在后续周期中读取和译码。
• 为什么不需要 ALUOutControl？ ALU（算术逻辑单元）的输出内容只在下一个周期被读取并使用，因此不需要一个独立的控制信号来控制它的输出。

# 异常与中断

• 异常：由内部的、可预测的事件触发，例如算术溢出（如除以零）、非法指令或访存错误。它们是同步的，即在执行特定指令时发生。
• 中断：由外部的、不可预测的事件触发，通常由 I/O 设备引起。它们是异步的，与当前正在执行的指令无关。

# 异常/中断处理

当异常或中断发生时，处理器会执行以下步骤：

1. 跳转到异常处理程序：处理器会暂停当前程序，跳转到预先设定的异常/中断处理程序。
2. 记录异常原因：使用一个通用异常处理器和原因寄存器来记录异常发生的原因。
3. 保存并恢复地址：保存当前程序的执行地址，以便在异常处理完成后能恢复到中断前的状态。