4.9 异常处理

异常：程序执行过程中，出现异常。CPU 需要终止正在执行的程序，处理异常后，再返回终止的程序继续执行。

异常的类型：

异常处理机制：

• 关中断：使处理器处于“禁止中断”状态，以防止新异常(或中断)破坏断点和现场
• 保护断电和程序状态：将断点和程序状态保存到堆栈或特殊寄存器中。
  • PC 存放到 堆栈或 EPC（专门存放断点的寄存器）；
  • PSWR 存放在堆栈或者 EPSWR（存放程序状态字的寄存器）
• 识别异常事件：
  • 软件识别
  • 硬件识别

流水线下的异常处理：

• 在关中断前，需要清除所有已在流水线中的指令：将寄存器和控制信号清零。
• 识别哪一条发生异常：根据异常发生的流水段来确定。
• 找到出错的指令地址：将每个阶段的指令地址都存放在每个阶段间的流水线寄存器当中，一旦出现异常，就把对应的地址放在 EPC 保存，以实现 精确中断。
• 错误的优先级：时钟周期靠前，中断优先级排队。
• 异常处理中又出现异常或中断：中断屏蔽和中断嵌套机制。

控制器设置：有限状态机中增加异常处理的状态，每种状态占一个状态。

4.10 并行方法

指令级并行

指令级并行（Instruction-Level Parallelism, ILP）：流水线中并行执行两个不存在相关性的指令。这样可以提高 CPU 执行指令的吞吐量。

指令级并行的方法：

• 超流水线技术：增加流水线的级数，实现更多的指令执行。
• 多发射技术：一种单时钟周期内发射多条指令的机制。通过复制计算机内的部件数量，使得每个流水线可以启动多条指令执行。

多发射处理器的两种方法：

• 静态多发射：由编译器决定哪些指令可以并行执行。通过 超长指令字 来一次性执行多个指令。
• 动态多发射：由处理器发射多条指令并处理冒险。
  • 超标量：试图在一个周期取出多条指令并行执行，通过在处理器中内置多条流水线来同时执行多个处理，允许指令以不同于原程序顺序的次序执行
  • 动态流水线调度：对指令进行重新排序以避免阻塞的硬件支持。

数据级并行

数据级并行:

• 向量处理器：同一时间内执行一条指令但是处理多个数据。

线程级并行

线程级并行(TLP, Thread Level Parallel)：为了加大程序执行的并行力度，将程序划分为多个独立的可执行部分，每个可执行部分称为一个线程。 不同线程共享数据空间，具有自己的执行堆栈和PC。 可以提高系统整体的吞吐量。

超线程技术：用一个物理处理器核心模拟成多个线程处理器。

多核技术：在一个物理封装中有多个核，每个核有独立的指令集和执行单元。

4.11 *微程序控制器设计（不考）

设计基本思想

微程序控制器是 用软件方法设计硬件。 优点：易于修改设计，保证软件兼容；减少实现复杂指令的成本。

每条指令是一个微程序，每个微程序包括若干条微指令，每个微指令包含若干位微命令。 一个微指令是一个状态，一个微命令是状态中的控制信号。

每个微程序放在 控制只读存储器（Control Memory） 中，执行指令时，取出对应微程序里面的每条微指令。

基本概念

微命令：微操作的控制信号，由控制部件向执行部件发出。

微操作：执行部件接受微命令后所进行的最基本操作。

微指令：一个 CPU 周期中实现特定微命令的集合。

微程序：实现一条指令功能的若干条微命令组成的序列。

控制存储器：存放所有指令对应的微程序的存储器。

微指令周期：从控制存储器读取一条微指令并执行完相应的微操作所需的时间，一般式固定的。

技术分类：

• 静态微程序设计：一台机器的机器指令只有一组微程序。
• 动态微程序设计：可以通过改变微指令和微程序改变机器的指令系统。

Wilkes 模型：IR -> FCMAR -> CMAR -> CM -> μIR -> FCMAR

微指令格式设计