数据通路与时序

1. 核心解构 (The Kernel)

• 数据通路 (Datapath)：指令执行过程中数据流经的路径，包括 ALU、寄存器堆、多路选择器 (MUX) 等。
• 时序控制 (Timing)：
  • 时钟周期 (Clock Cycle)：CPU 的最小时间单位。
  • 关键路径 (Critical Path)：决定时钟频率的瓶颈。通常是 Load 指令（PC $\to$ 指令内存 $\to$ 寄存器堆读 $\to$ ALU 计算地址 $\to$ 数据内存读 $\to$ 寄存器堆写）。
  • 安全隐喻：攻击者可以通过测量执行时间（Timing Attack）推测关键路径上的数据特征（如 RSA 密钥）。

2. 状态元件 (State Elements)

• 边沿触发 (Edge-Triggered)：寄存器（如 PC、通用寄存器）只在时钟上升沿/下降沿更新。
• 建立时间 (Setup Time) & 保持时间 (Hold Time)：信号必须在时钟沿之前稳定，并在之后保持一段时间。
  • 故障注入：如果通过电压毛刺（Voltage Glitch）破坏保持时间，可能导致 CPU 跳过鉴权指令。

3. 单周期 vs. 多周期

• 单周期 (Single Cycle)：
  • 一条指令 = 一个时钟周期。
  • 缺点：时钟周期必须足够长以容纳最慢的指令（Load），浪费了简单指令（如 Add）的时间。CPI = 1，但频率低。
• 多周期 (Multi-Cycle)：
  • 一条指令 = 多个短时钟周期。
  • 优点：复用硬件（如 ALU 既算 PC 也算数据），频率高。CPI > 1。

4. 关联链接

• 数字电路：D 触发器的工作原理。
• 侧信道攻击：基于时序的密码分析。