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1、通信与信息工程学院通信与信息工程学院 无线通信与嵌入式系统实验室无线通信与嵌入式系统实验室 周周 亮亮 emailemail: : teltel： 028-61831106028-61831106微处理器系统结构与嵌入式系统设计*2/74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 1.处理器的主要功能 2.处理器的基本结构 3.一个简化的处理器模型结构示例 3.2 处理器设计 1.指令系统 2.数据通路 3.控制流程 4.时序部件 5.控制逻辑 3.3 指令流水线技术 3.4 典型微处理体系结构简介 3.5 先进的微处理器技术ARM、x86随机逻辑、微程序(微码)
2、数据类型、指令功能、指令格式、寻址方式 ALU、Reg、总线程序、指令、微操作时钟周期、工作周期、指令周期特点、操作、局限、设计宽度、周期*3/74第三章 习题作业：13、5、9、10、11、1315思考：1.6、4、68 、12、16*4/74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
3、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。 *5/74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个时钟周期内完成，而微码机器则需要8 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
4、统瓶颈，则应采用微码CPU3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，存结果通信与信息工程学院通信与信息工程学院 无线通信与嵌入式系统实验室无线通信与嵌入式系统实验室 周周 亮亮 emailemail: : teltel： 028-61831106028-61831106第 三 章 结 束*7/741. 中央处理单元Central Processing Unit, CPU2. 微处理器Micro Processing Unit, MPU3. 微控制单元Micro Control Unit, MCU4. 单片机5. 计算机单 片 芯 片控制器、运算器、寄存器CPU、少量
5、存储器及I/O接口CPU+存储器+总线/接口+外设几个概念*8/74微处理器的主要功能 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CP
6、U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：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。*10/74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描述 ： 数据通路 控
7、制器*11/74数据通路:ALUReg+内部总线 ALU：运算 Reg组：暂存 内总线：传输 p 简单的单总线 (ALU总线) p 复杂的多级总 线(片上总线)*12/74控制器输入输出*13/74简化的处理器模型哈佛结构*14/74CPU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；*15/74微处理器的 总体结构数据通道 1.组成：ALU+寄存器+内部总线 2.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）； 3.特性： 数据通路
8、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） 1.时序控制部件：指令周期、工作周期、时钟周期(工作脉冲) 2.指令译码逻辑：微程序（CISC ）、硬连逻辑（RISC ） 、*16/74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
9、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*17/74指令集设计示例 假设某机器的字长是8位，支持常见的简单指令： 指令是双地址指令，源操作数采用2种寻址方式寄 存器寻址(R0R1)和立即寻址；目标操作数可采用2种 寻址方式寄存器寻址和存储器直接。共有九条机器 指令，请设计可行的代码方案。若采用定长编码（8bit）方案，可定义指令格式如下： 1.71.61.51.41.31.21.11.0=0000表示ADD =0001表示SUB =0010表示MOV =0011表示IN =0100表示OUT =0101表
10、示RR 目的操作数寻址方式：0直接寻址 1寄存器寻址目标寄存 器编号源操作数寻址方式：0立即寻址1寄存器寻址源寄存器 编号操 作 码*18/74机器指令集*19/74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19/86汇编语言*20/74数据类型确认某种特殊类型的数据是否应该得到硬 件支持数值型数据：无符号整数、带符号整数、浮点数非数值数据：字符串确认字长（对数据长度的
11、限制）截断（truncation）或溢出（overflow）在选择数据格式和长度时需要平衡数值范围、程序执 行期间发生溢出的可能性、处理设备和存储设备 的复杂性、以及价格和速度等因素。*21/74指令类型指令按功能可分成以下三种基本类型：1.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内容不变。 u 数据传送范围： R-R、R-M、M-R或M-M u 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。2.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
12、需要明确操作数的类型和长度。3.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？*22/74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 reference)：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。 *23/74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：
13、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*24/74操作码字段常见指令字段分配操作码位段分配扩展操作码*25/74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
14、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。25/86机器指令结构：M-M、M-R、R-R机器指令结构：零地址、单地址、双地址*26/74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
15、程序中指定操作数： 相对寻址 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）*27/74立即数寻址 immediate addressing mode*28/74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。 *29/74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 为存储单元的地址。寄存器直接寻址*30/74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*31/74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。*32/74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
