https://rmtt.github.io/zh/categories/computation-strcuture/ Recent content in Computation Strcuture on MT's blog Hugo zh Wed, 24 Nov 2021 00:00:00 +0000 https://rmtt.github.io/zh/posts/computation-structure/computation-structure-09/ Wed, 24 Nov 2021 00:00:00 +0000 https://rmtt.github.io/zh/posts/computation-structure/computation-structure-09/ <h1 id="designing-an-instruction-set">Designing an instruction set</h1> <blockquote> <p>课程地址: <a href="https://ocw.mit.edu/courses/electrical-engineering-and-computer-science/6-004-computation-structures-spring-2017/c9/c9s1/">https://ocw.mit.edu/courses/electrical-engineering-and-computer-science/6-004-computation-structures-spring-2017/c9/c9s1/</a></p></blockquote> <p>本章用前8章所学的知识设计了一个简单的通用计算机，采用冯诺伊曼结构，即<em>main memory</em> + <em>CPU</em>，而CPU则主要由<em>datapath</em>(即以ALU为主的计算电路)和<em>control logic</em>(即用ROM和Register实现的FSM控制电路)。整体内容很简单，但是很好玩！</p> <h2 id="datapaths-and-fsms">Datapaths and FSMs</h2> <p>Let’s start by designing the logic that implements the desired computations — we call this part of the logic the “<em>datapath</em>”.</p> <p><img loading="lazy" src="https://blog-img.rmtt.fun/posts/computation-structure-09/datapath-for-factorial.png"></p> <p>上图虽然实现了a和b的计算，但还不能控制其状态，即不能在b为0时结束循环，所以需要一个FSM来控制整个计算电路即datapath的状态。</p> <p><img loading="lazy" src="https://blog-img.rmtt.fun/posts/computation-structure-09/control-fsm-for-factorial.png"></p> <p><img loading="lazy" src="https://blog-img.rmtt.fun/posts/computation-structure-09/control-fsm-hardware.png"></p> <h2 id="programmable-datapath">Programmable Datapath</h2> <p>第一节中设计了一个可以计算介乘的datapath, 然后配上一个简单的FSM, 就可以完成计算任务。但实际中的计算任务有成千上万种，我们不能为每种任务都设计一个单独的datapath。</p> <p>首先每种计算都可以分解为ALU的几个基本计算类型(Arithmetic, Bool, Comparable, Shift)，所以就计算来说，一个ALU就差不多够用了。但有的任务可能需要更多的寄存器来保存中间结果，所以增加寄存器数量是必须的。如下是一个简单的可以进行通用计算的datapath.</p> <p><img loading="lazy" src="https://blog-img.rmtt.fun/posts/computation-structure-09/a-simple-programmable-datapath.png"></p> <p><img loading="lazy" src="https://blog-img.rmtt.fun/posts/computation-structure-09/a-control-fsm-for-factorial.png"></p> <h2 id="the-von-neumann-model">The von Neumann Model</h2> <p>在上一节的模型的基础上，冯诺伊曼引入了主存和输入/输出设备，从而执行数据量更大的计算任务，而且也可以有各种各样的输入输出设备，如下图所示。</p> <p><img loading="lazy" src="https://blog-img.rmtt.fun/posts/computation-structure-09/the-von-neumann-model.png"></p> <h2 id="storage">Storage</h2> <p>冯诺伊曼模型的要点是用主存来存储指令和数据，主存相对于寄存器来说，最主要的优点就是容量大，所以能存储很多条指令。假如一条指令是32位也就是4bytes的话，那么1KB就能存256条指令，1M就能存256000条！</p> <p><img loading="lazy" src="https://blog-img.rmtt.fun/posts/computation-structure-09/stored-program-computer.png"></p> <p>在冯诺伊曼结构中，有一个专门的<em>PC</em>寄存器，用来存储<em>下一条</em>指令在主存中的地址。</p> <p><img loading="lazy" src="https://blog-img.rmtt.fun/posts/computation-structure-09/anatomy-of-von-neumann-computer.png"></p> <h2 id="指令和指令集">指令和指令集</h2> <p>指令就是用来告诉<em>control logic</em>该干什么，指令集就是按同一标准设计的一大堆指令，可以控制<em>control logic</em>干各种各样的事。指令集相关内容感觉没有太多需要记录的，所以就不记录啦。</p> <h2 id="summary">Summary</h2> <p><img loading="lazy" src="https://blog-img.rmtt.fun/posts/computation-structure-09/beta-isa-summary.png"></p>