微机第三章课件

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1、2020/8/11,第三章 微处理器体系结构及关键技术,3.1 微处理器体系结构及功能模块简介 处理器的主要功能 处理器的基本结构 一个简化的处理器模型结构示例 3.2 处理器设计（自学） 3.3 指令系统设计 机器指令的组成 指令格式 指令类型 寻址方式 指令系统设计要点 3.4 指令流水线技术 3.5 典型微处理体系结构简介,ARM、x86,1.流水线技术的特点 2.流水线操作的详细说明 3.流水线的局限性 4.指令流水线设计,第三章 习题,作业：13、5、9、10、11、1315 思考：1.6、4、68 、12、16,补充题(选作）,2、某计算机指令系统中，指令字长为12位，每个地址码长

2、3位，有三地址指令4条，单地址指令255条，零地址指令16条。 （1）能否以扩展操作码为其编码？说明其理由。 （2）如果其中单地址指令为254条呢？说明其理由。,1、有一条4个段的线性流水线，各段的执行时间分别为50ns、50ns、100ns、200ns。 （1）连续向流水线输入6条指令，画出指令执行的时-空图，求该流水线的实际吞吐率和效率。注意计算时需写出步骤。 （2）该流水线的瓶颈在哪一个段？请采用两种不同的措施消除此瓶颈，画出两种改进方法后执行6条指令的时-空图。,3.1 微处理器体系结构及功能模块简介,微处理器体系结构(本书介绍4种),1.指令系统结构 指令格式、寻址方式和指令系统是指

3、令系统结构的重要方面 2.随机逻辑体系结构 3.微码体系结构 工作原理：CPU的指令系统可以不直接用硬件逻辑电路实现，而是通过微代码程序实现 4.流水线体系结构 将每条指令划分为类似于微码体系结构中的微步骤。 特点：执行每条指令完成第一步的同时，它的前一条指令正在执行第二步（微码体系结构必须先执行完一条指令再执行下一条）,流水线结构与微码结构的比较,比较下列操作在微码CPU和流水线CPU中的执行情况 Mem(Reg 1)+Mem(Reg 2)Reg 3 微码机器（CISC）中只需要一条指令表示，而在流水线机器（RISC）里则需要3条指令； 假设没有存储器延迟，则流水线机器中这3条指令可以在3个

4、时钟周期内完成，而微码机器可能需要7个时钟周期。 在流水线机器中需要取存5次存储器，而微码机器只需要3次。 若存储器速度为系统瓶颈，则应采用微码CPU,3次指令，2次数据,1次指令，2次数据,取指+译码执行：取操作数2，加法，存结果、PC+1,中央处理单元 Central Processing Unit, CPU 微处理器 Micro Processing Unit, MPU 微控制单元 Micro Control Unit, MCU 单片机 计算机,单片芯片,控制器、运算器、寄存器,CPU、少量存储器及I/O接口,CPU+存储器+总线/接口+外设,几个概念,*,7/86,微处理器的主要功能,

5、计算机系统设计师认为：处理器是指一种能够经过多个步骤执行计算任务的数字设备。 从本质上讲，处理器的作用是协调和控制计算机的各个部件，并执行程序的指令序列。 处理器的5个主要功能： 指令控制：控制指令按程序逻辑顺序执行。 操作控制：按照指令执行过程及指令约定功能的需求产生各种操作控制信号。 时序控制：能够在适当的时间(时刻)使相应操作控制信号有效，并保持所需的时长。 数据加工：对数据进行算术和逻辑运算处理。 中断处理：程序执行过程中应能够及时处理出现的I/O操作请求及异常情况。,CPU最基本的功能,CPU的作用是协调和控制计算机的各个部件并执行程序中的指令序列，因此应具有以下基本功能：, 取指令

6、：当程序已在存储器中时，首先根据程序入口地址取出一条程序，为此要发出指令地址及控制信号。 分析指令：即指令译码，是指对当前取得的指令进行分析，指出它要求什么操作，并产生相应的操作控制命令。 执行指令：根据分析指令时产生的“操作命令”形成相应的操作控制信号序列，通过运算器、存储器及输入/输出设备的执行，实现每条指令的功能，其中包括对运算结果的处理以及下条指令地址的形成。,*,9/86,微处理器的基本结构,冯诺依曼机： 5大部件 存储程序 串行单顺序,数据通路,CPU的RTL(寄存器传送级)描述： 数据通路 控制器,P58图3-1,P59图3-2,数据通路:ALUReg+内部总线,ALU：运算 R

7、eg组：暂存 内总线：传输 简单的单总线 (ALU总线) 复杂的多级总线(片上总线),新P60图3-4,新P61图3-5,新P61图3-6,特点：只设置一组数据传送总线,特点：用半导体RAM作为寄存器组，采用双向数据总线,一个简化的处理器模型结构示例,1.处理器结构的简化示意图 新P62图3-7 数据和程序（指令序列）存放在一个数据存储器，冯诺依曼结构。 采用总线结构，即控制器所需的指令、数据通路所需的数据都是从总线上得到。 主要功能部件：存储器、数据通路、累加器、程序计数器、控制器,处理器模型机的简化设计,P63 图3-8,处理器各功能模块间的连接,哈佛结构,处理器总线采取数据总线和指令总线

8、分离,新P64图3-9,CPU与内存储器的接口,1.对外形成三总线形式； 2.寄存器MAR和MDR简化了CPU与主存之间的传送通路，使其容易控制; 3.寄存器MAR和MDR对用户透明,即不能编程访问；,新P64图3-10,微处理器的总体结构,数据通道 组成：ALU+寄存器+内部总线 功能：基本的二进制算术、逻辑及移位运算； 根据运算结果设置状态标志（进/借位、溢出等）； 特性： 数据通路宽度：即字长，CPU单次传送和处理数据的能力。 数据通路周期：ALU运算并将保存结果的过程。 控制单元（控制器） 时序控制部件：指令周期、工作周期、时钟周期(工作脉冲) 指令译码逻辑：微程序（CISC ）、硬连

9、逻辑（RISC ） 、,3.3 指令系统设计,指令集结构(ISA)是体系 结构的主要内容之一，其功 能设计实际就是确定软硬件 的功能分配。 考虑因素 速度、成本和灵活性 实现方式 硬件、软件 优化策略 RISC、CISC；流水线；多核； 实现内容 数据类型、指令功能、指令格式、寻址方式 实现步骤 根据应用初拟出指令的分类和具体的指令； 编写出针对该指令系统的各种高级语言编译程序； 对多种算法程序进行模拟测试，确认指令系统的操作码和寻址方式的效能是否都比较高； 用硬件实现高频使用的指令，软件实现低频使用指令。,指令系统设计,机器指令的组成,1.指令的功能 要求硬件直接实现某种运算或操作的命令，即

10、机器指令 2.指令的组成 机器指令的要素: 操作码、源操作数引用、目的操作数引用、下一条指令引用 源、目的操作数的存放位置：主存或虚存、寄存器、I/O设备,机器指令符号表示法,由于直接与机器指令二进制表示法打交道很困难，于是普遍使用的是机器指令符号表示法(symbol representation)。 操作码可缩写成助记符(mnemonic)来表示： ADD加 SUB减 MUL乘 DIV除 LOAD 由存储器装入 STOR 存入存储器,*,20/86,汇编语言,指令类型,指令按功能可分成以下三种基本类型： 数据传输：将数据从一个地方（源地址）复制到另一个 地方（目的地址），传输结束后源地址中的

11、内容不变。 数据传送范围： R-R、R-M、M-R或M-M 数据传送宽度：一般为固定值（如8、16或32bit），其它宽度的数据传送一般可通过软件移位和合并操作来实现。 数据运算：包括算术运算（加、减、乘、除等）和逻辑 运算（与、或、非、异或等）。 该类指令需要明确操作数的类型和长度。 控制类：用于改变正常的程序执行流程，完成程序的跳转，主要包括转移指令和过程指令。,I/O？,机器指令要素,操作码(operation code，opcode)：需要完成的操作； 源操作数 (source operand reference)：操作所需的输入； 结果操作数 (result operand refe

12、rence)：操作产生的结果； 下一条指令 (next instruction reference)：告诉CPU到哪里取下一条指令。,*,指令格式,在计算机内部，指令由一个位串来表示。相应于指令的各要素，这些位串划分成几个字段： 操作码字段： 说明CPU应进行的操作 按操作类型分组：同类操作要求同样或类似的控制信号，因此编码也类似（有尽可能多的公共位） 操作数字段/地址字段： 说明源操作数和目的操作数存放的位置信息(R、M或I/O); 说明源操作数和目的操作数的数据类型; 下一条指令地址字段： 如紧跟当前指令，在主存或虚存中，则不需显示引用； 如可能产生跳转，则需要显示给出存储地址；,指令类型

13、决定了CPU的软件功能特性,寻址方式决定了CPU硬件功能特性,23/86,操作数字段,二元操作(binary operation)是一种基本操作类型，这样的指令通常包含三个操作数地址：两个源操作数和一个目的(结果)操作数。为了缩短指令长度，可以采用以下方法： 只有一个地址指定给存储器中的操作数，而其余地址都指定给寄存器，可以在指令格式中明确地指定其寄存器号。 把一个、两个或三个操作数的地址在指令格式中变成隐含的地址。隐含的地址可以指定给专用寄存器，而这些寄存器的名字隐含在指令格式的操作码中。,*,24/86,机器指令结构：M-R、R-R,机器指令结构：零地址、单地址、双地址,高级语言的语句和机

14、器指令的实现对比,例：X=X+Y （假设：X、Y变量已存在位置编号为513、514的存储器中） 高级语言：一条语句即可以实现 机器指令：需要3条指令完成 1.将存储位置513的内容放入一个寄存器 2.将存储位置514的内容加到上述寄存器 3.将该寄存器的内容存入存储器位置513中 结论：高级语言使用变量，以简明的代数形式来表达操作，而机器语言以数据移入移出寄存器的基本形式来表达操作,寻址方式,操作数实际存放位置： 寻址方式： 1在指令码中指定操作数：立即数寻址 2在寄存器中指定操作数：寄存器（直接）寻址 3在存储器中指定操作数：存储器直接寻址、存储器间接寻址 4在汇编程序中指定操作数： 相对寻

15、址 5操作数在I/O接口中： 存储器寻址（存储器映像编址）或端口寻址（独立编址）,注意：寻址方式是针对操作数而言,立即数寻址immediate addressing mode,注意：1.立即数不能作为目的，但它可以通过寄存器存入存储器 2.指令格式中立即数字段的长度受指令长度的限制，短立即数的长度扩展问题（目的：与寄存器长度相匹配）,寄存器直接寻址方式register direct addressing mode,指令的地址字段给出寄存器号（名） ，而被指定的寄存器的内容就是操作数。,存储器直接寻址memory direct addressing mode,指令的地址字段直接给定一个立即数作为

16、存储单元的地址。,寄存器直接寻址,注意：指令中立即数和直接地址的书写规则,问题：有限地址长度,存储器间接寻址memory indirect addressing mode,(1) 寄存器间接寻址方式 (2) 存储器间接寻址方式 (3) 位移量寻址方式 (4) 变址寻址方式 (5) 比例尺寻址方式,用于加强编写与位置无关的汇编语言程序,寄存器间接寻址方式register indirect addressing mode,将存储器地址指定在寄存器中，即让寄存器内容指向一个可访问到操作数的存储器单元。,*,31/86,优点：指令格式中用短地址字节即可指定一个完全的存储器地址； 灵活（用指令即可修改地址）,存储器间接寻址方式 memory indirect addressing mode,多级间接寻址； 通常用于访问存储器中的“跳转表”：跳转表首址指定在寄存器中，该表中的每个表项