CPU是如何处理指令的

2021-11-09 09:26:34 digiproto

01

标准的CPU架构


CPU主要由以下几部分组成,参考下图

·一系列寄存器,部分处理地址相关的寄存器,和其他一些用于处理数据的寄存器

·ALU,算数逻辑运算单元

·CU,控制单元,控制多个寄存器传输之间的时序等

·内部一些寄存器之间的连线


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1.1 CPU寄存器介绍


MAR(Memory Address Register):保存需要访问的内存的地址;


MBR(Memory Buffer Register):保存需要写入寄存器或从内存中读取的数据;


PC(Programmer Counter):内部连接了地址总线,存放了程序下一条需要处理的指令的地址;


IR(Instruction Register):读取内存的时候,首先会从MBR寄存器中读取数据;如果读取的数据是一条指令的话,从IR里面读取;


IR包含下面两个部分:

1.IR(opcode):每一条指令的opcode都是唯一的,也是一条指令最重要的组成部分,CPU通过opcode了解当前指令到底干什么事情

2.IR(address):另一个重要的部分就是address部分

SP(Stack Pointer):栈指针,存放了当前程序的执行过程中内存中的栈地址


1.2 CPU内部单元


CU(Control Unit):控制单元,控制时序和指令的执行之后寄存器的变化


ALU(Arithmetic Logic Unit):算术运算单元,包含算术运算所需的逻辑与、逻辑或等模块


SR(Status Register):状态寄存器,根据ALU的计算结果控制状态寄存器中的一些状态标志,包括一些溢出(Overflow)、零(Zero)、负(Negative)等标识位


1.3 内存介绍


内存主要由ram和rom(一部分)组成,主要用于支持系统的启动。内存不在CPU内部,而是在板子上,通过总线和CPU连接。实际上一般由2 ~ 3根总线,包括数据总线和地址总线,有些板子还会有控制总线--用于表示当前时钟下数据是读或写。访问的内存地址有总线宽度决定,对于24位宽的总线,可访问的地址一般如下图:0 - 0xFFFFFF;


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02

提取、解码和执行指令


2.1 CPU如何处理指令


处理指令的步骤主要包括以下几步:

1.从内存中提取(Fetch)指令,并把指令放到IR中;

2.解码(Decode)当前指令

3.执行(Execute)当前指令


执行的执行流程一般遵循以下步骤:

1.将PC的值存入MAR寄存器,

MAR<---PC

2.读取MAR中的值,将数据放入MBR寄存器中

MBR<---{MAR}

3.下一步需要将MBR中的值拷贝到IR寄存器中,IR解释执行当前指令后PC加1(本文介绍的指令为8位指令指令,因此PC加1,对于16位及32位指令,PC需要加对应的字节数)

PC<----PC + 1


总结归纳为下图:


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2.2 一些指令


以下指令使用8位的Opcode进行解码,8位指令长度理论上可以产生256条不同的指令,下图仅列出一些常用的包括内存读取/写入、加法运算等操作,具体含义参见Meaning:


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2.3 列举一条指令(LDA x)的执行过程


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以上图为例可归结为以下几个步骤:

a.指令提取阶段,将PC值先赋值给MAR

b.地址的值为"2"

c.从内存为"2" 的地方将指令提取出来,存入MBR中

d.MBR的值写入IR寄存器

e.PC需要加一

f.解码当前IR中的指令,获取到opcode部分的值为1

g.Address部分的值为"5"

h.从内存地址为"5"提取出数据

i.由于LDA操作的是AC寄存器,最终将数据放入AC中


03

SkyEye支持的处理器


由我司自主研发的SkyEye目前支持主流的嵌入式硬件平台,包含以下架构的处理器核心,能够运行主流的操作系统,此外还能适配国内自主研发的操作系统天脉。通过利用基于LLVM的动态二进制翻译技术,使虚拟处理器在典型的桌面计算机上运行速度可以达到2000MIPS以上。


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标签: SkyEye 芯片
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