von Neumann 結構基於三個關鍵概念:

  1. 資料與指令儲存於單一讀寫記憶體;

  2. 記憶體內容依位置定址,不管其中儲存的資料型態;

  3. 執行以循序方式(除非明確更改)從一條指令進行到下一條。

為什麼要「儲存程式」?若用硬體直接實現某個計算,接線本身就是程式(hardwired program),改功能就得重新接線。反之,若提供一組通用的算術與邏輯功能部件,再以控制訊號指揮它們,那麼「程式」就只是一串控制碼;新的計算只需提供新的控制碼序列,硬體完全不動。指令解譯器負責把每條指令轉成該指令對應的控制訊號。

指令週期

基本兩步驟:提取與執行

程式執行的最小單位是指令週期(instruction cycle),最簡形式含兩步:

基本指令週期

  • 提取:處理器把程式計數器(PC)所指的指令從記憶體讀入指令暫存器(IR),然後 PC 遞增(在 RV32I 中為 PC+4),使下次提取下一條指令。

  • 執行:處理器解譯 IR 中的指令並執行所要求的動作。動作可分四類:

    1. 處理器–記憶體:資料在兩者間傳輸(載入/儲存);

    2. 處理器–I/O:資料在處理器與 I/O 模組之間傳輸;

    3. 資料處理:對資料執行算術或邏輯運算;

    4. 控制:更改執行順序(跳躍/分支)。

考慮 Stallings 書中的假想機(16 位元指令:4 位元 opcode + 12 位元位址;opcode 1=載入 AC、2=儲存 AC、5=AC 加上記憶體)。程式片段「把位址 940 的內容加到位址 941 的內容,結果存回 941」需要三個指令週期:

  1. PC=300:提取指令 1940(載入),執行後 AC \(\leftarrow\) M[940] = 3;

  2. PC=301:提取指令 5941(相加),執行後 AC \(\leftarrow\) 3+2 = 5;

  3. PC=302:提取指令 2941(儲存),執行後 M[941] \(\leftarrow\) 5。

同樣的工作在 RV32I 上是 lw/lw/add/sw 四條指令——因為 RISC 把「從記憶體取數並相加」拆成獨立的載入與運算(第 13、18 章)。

中斷

為什麼需要中斷

大多數 I/O 裝置遠慢於處理器。若處理器以程式化 I/O 方式寫一筆資料到印表機後空轉等待,將浪費數以百萬計的指令週期。中斷(interrupt)機制讓 I/O 模組在準備好接受或提供資料時主動通知處理器;處理器發出 I/O 命令後即可繼續執行其他指令,收到中斷再回頭處理。

中斷的類型包括:程式中斷(除以零、非法指令、記憶體越界等例外)、計時器中斷(作業系統排程的基礎)、I/O 中斷(完成或錯誤通知)、硬體失效中斷(電源、同位錯誤)。

中斷與指令週期

加入中斷後,指令週期多了中斷階段:每條指令執行完畢後,處理器檢查是否有未處理的中斷;若有,則:

  1. 暫停目前程式的執行,保存其脈絡(至少包括 PC 與狀態暫存器);

  2. 將 PC 設為中斷處理常式(interrupt handler)的起始位址;

  3. 執行處理常式;結束時恢復被中斷程式的脈絡,從中斷點繼續。

中斷檢查發生在指令邊界,因此單條指令的執行是不可分割的;這保證了脈絡保存與恢復的一致性。RISC-V 的機器模式以 mepc、mcause、mtvec 等 CSR 實現同樣的機制(第 21 章)。

多重中斷

處理多重中斷有兩種策略:

  • 停用中斷(sequential):處理中斷時停用其他中斷,新中斷保持懸置(pending),處理完再依序處理。簡單,但無法反映緊急程度。

  • 優先權巢狀(nested):高優先權中斷可以打斷低優先權中斷的處理常式,形成巢狀。例如通訊線路(資料稍縱即逝)優先於印表機。

互連結構

計算機由 CPU、記憶體、I/O 三類模組組成,互連結構必須支援以下傳輸:

傳輸類型 說明
記憶體 \(\rightarrow\) 處理器 讀取指令或資料
處理器 \(\rightarrow\) 記憶體 寫入資料
I/O \(\rightarrow\) 處理器 讀取 I/O 裝置資料/狀態
處理器 \(\rightarrow\) I/O 送出資料/命令給 I/O 裝置
I/O \(\leftrightarrow\) 記憶體 DMA:I/O 模組直接與記憶體交換資料,不經過處理器

匯流排互連

匯流排結構

匯流排(bus)是連接兩個以上裝置的共享通訊路徑,關鍵特徵是廣播:任一裝置送出的訊號可被所有連接裝置看到;但同一時間只能有一個裝置成功發送。系統匯流排通常由 50–100 條以上的線組成,功能上分三群:

匯流排互連架構

  • 資料線(data bus):搬移資料的路徑,寬度(32、64、128 位元)是決定系統效能的關鍵因素——它決定每次能傳輸多少位元。

  • 位址線(address bus):指定資料的來源或目的地;寬度決定系統最大記憶體容量(RV32 為 32 位元位址,可定址 4 GiB 空間)。高位位址也常用來選擇模組、低位選擇模組內位置。

  • 控制線(control bus):控制對資料線與位址線的存取與使用。典型控制訊號:記憶體讀/寫、I/O 讀/寫、傳輸確認 ACK、匯流排請求/允許(bus request/grant)、中斷請求/確認、時脈、重置。

多匯流排階層

若把過多裝置掛在單一匯流排上:(1) 匯流排愈長,傳播延遲愈大,協調控制的時間愈長;(2) 總資料需求逼近匯流排容量時形成瓶頸。因此現代系統採階層式多匯流排:

  • 本地匯流排:處理器 \(\leftrightarrow\) 快取;

  • 系統匯流排:快取 \(\leftrightarrow\) 主記憶體;

  • 高速匯流排:掛載高速 I/O(圖形、網路、SCSI/NVMe),經橋接器(bridge)連上系統匯流排;

  • 擴充匯流排:掛載較慢的傳統 I/O。

快取結構把記憶體流量與 I/O 流量隔離;高速匯流排讓高需求裝置更貼近處理器,又與處理器時脈解耦。

匯流排設計要素

設計面向 選項與說明
型式 專用(功能專用/實體專用)vs. 多工(位址與資料分時共用同一組線,省接腳但較慢)
仲裁 集中式(單一匯流排控制器/仲裁器)vs. 分散式(各模組共同參與決定)
時序 同步(以時脈定界,簡單但遷就最慢裝置)vs. 非同步(以事件互鎖,彈性大)
寬度 位址寬度決定定址範圍;資料寬度決定單次傳輸量
傳輸類型 讀、寫、讀–修改–寫、區塊傳輸(一個位址+連續多筆資料)

同步匯流排的讀取:T1 週期,主控端把位址放上位址線並發出讀取訊號;T2,受控端(記憶體)解碼位址、取出資料放上資料線;T3,主控端讀入資料並撤銷訊號。若受控端來不及,可插入等待週期(wait state)。你在第 26 章的 testbench 中觀察 CPU 與記憶體的互動時,將看到一模一樣的節奏。

從 PCI 到現代互連

Stallings 書中詳述的 PCI(Peripheral Component Interconnect,1992)是當年的主流:32/64 位元多工匯流排、33/66 MHz、集中仲裁、支援區塊傳輸。今日 PCI 已演進為點對點串列的 PCI Express(PCIe):不再是共享平行匯流排,而是以多條 lane 組成的交換式網路,第 5 代單 lane 可達 32 GT/s。晶片內部的互連也走向 AMBA AXI、TileLink(RISC-V 生態常用)等匯流排協定——但位址/資料/控制三分、仲裁、交握等基本概念與本章所述一脈相承。

本章重點回顧

  • 指令週期 = 提取 + 執行(+ 中斷檢查);PC/IR 是週期運作的核心暫存器。

  • 中斷讓處理器與慢速 I/O 並行,大幅提升效率;中斷檢查發生於指令邊界。

  • 匯流排 = 資料線 + 位址線 + 控制線;資料線寬度決定吞吐、位址線寬度決定定址範圍。

  • 單一匯流排會成為瓶頸,現代系統採用多層匯流排階層與橋接器。

  • 匯流排設計要素:專用/多工、集中/分散仲裁、同步/非同步時序、傳輸類型。

複習問題

  1. 指令週期的兩大階段是什麼?各自完成哪些工作?

  2. 指令執行的動作可分哪四類?各舉一條 RV32I 指令為例。

  3. 為什麼中斷能提升處理器使用效率?畫出含中斷階段的指令週期狀態圖。

  4. 兩種多重中斷處理策略各有何優缺點?

  5. 匯流排的三類訊號線各承擔什麼功能?其寬度各影響系統的哪個面向?

  6. 為什麼需要多匯流排階層?橋接器扮演什麼角色?

  7. 同步與非同步時序各適合什麼場景?

  8. 一同步匯流排時脈 100 MHz、資料線 64 位元,區塊傳輸每週期一筆,求峰值頻寬(MB/s)。

9 W. Stallings, Computer Organization and Architecture, 6th ed., Chapter 3. PCI-SIG, PCI Express Base Specification. https://pcisig.com SiFive, TileLink Specification. https://www.sifive.com