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1、第三章第三章 微处理器体系结构及关键技术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 处理器设计处理器设计3.3 指令系统设计指令系统设计 3.4 指令流水线指令流水线技技术术3.5 典型微处理体系结构简介典型微处理体系结构简介2022/7/11ARM、x86特点特点、操作操作、局限局限、设计设计参考资料：参考资料：浪潮之巅浪潮之巅第五章奔腾的芯（英特尔第五章奔腾的芯（英特尔Intel）大话处理器大话处理器1.中央中央处理理单元元 Central Processing
2、 Unit,CPU2.微微处理器理器 Micro Processing Unit,MPU3.微控制微控制单元元 Micro Control Unit,MCU4.单片机片机5.计算机算机单单片片芯芯片片控制器、运算器、寄存器控制器、运算器、寄存器几个概念几个概念yyyy-M-2/86微处理器主要性能指标微处理器主要性能指标l主主频：即微：即微处理器理器时钟频率率。如。如Pentium4 2GHz同系列的微同系列的微处理器，主理器，主频越高，速度越快。越高，速度越快。但主但主频相同的微相同的微处理器，速度不一定都相同，因理器，速度不一定都相同，因结构有差异构有差异l外外频：微：微处理器理器外部外部
3、总线工作工作频率率。如。如Pentium4 2GHz的外频为的外频为400MHzl倍倍频:主主频=外外频 X 倍倍频；l地址地址总线宽度度：决定：决定访存空存空间。如。如32位地址位地址线访问232=4GB存存储单元元l数据数据总线宽度度：决定微：决定微处理器与外部存理器与外部存储器、器、输入入/输出部件之出部件之间一次交一次交换的二的二进制数据位数。如制数据位数。如8、16、32、64位。位。注意：地址注意：地址总线宽度与数据度与数据总线宽度没有直接关系。度没有直接关系。微微处理器的主要功能处理器的主要功能计算机系算机系统设计师认为：处理器是指一种能理器是指一种能够经过多个多个步步骤执行行计
4、算算任任务的的数字数字设备。从本从本质上上讲，处理器的作用是理器的作用是协调和控制和控制计算机的各个算机的各个部件，并部件，并执行程序行程序的指令序列。的指令序列。处理器的理器的5个主要功能：个主要功能：指令控制指令控制：控制指令按程序控制指令按程序逻辑顺序序执行。行。操作控制操作控制：按照指令按照指令执行行过程及指令程及指令约定功能的需求定功能的需求产生各生各种操作控制信号。种操作控制信号。时间控制控制：能能够在适当的在适当的时间(时刻刻)使相使相应操作控制信号有操作控制信号有效，并保持所需的效，并保持所需的时长。数据加工数据加工：对数据数据进行算行算术和和逻辑运算运算处理。理。中断中断处理
5、理：程序程序执行行过程中程中应能能够及及时处理出理出现的的I/O操作操作请求及异常情况。求及异常情况。1寄存器组寄存器组 (通过寄存器通过寄存器序号序号进行读写）进行读写）2控制单元（控制器）控制单元（控制器）1.时序控制部件：时序控制部件：指令周期、工作周期、时钟周期指令周期、工作周期、时钟周期(工作脉冲工作脉冲)2.指令译码逻辑：指令译码逻辑：微程序（微程序（CISC）、硬连逻辑（）、硬连逻辑（RISC）3数据通道（运算器）数据通道（运算器）1.组成：组成：ALU+寄存器寄存器+内部总线内部总线2.功能：功能：基本的二进制算术、逻辑及移位运算；基本的二进制算术、逻辑及移位运算；根据运算结果
6、设置状态标志（进根据运算结果设置状态标志（进/借位、溢出等）；借位、溢出等）；3.特性：特性：1)数据通路宽度：数据通路宽度：即字长，即字长，CPU单次传送和处理数据的能力。单次传送和处理数据的能力。2)数据通路周期数据通路周期：ALU运算并将保存结果的过程。运算并将保存结果的过程。CPU的硬件组织的硬件组织5/68CPU的寄存器简化模型及分类1.CPU组 1)通用寄存器通用寄存器(GPR)2)程序状程序状态寄存器寄存器(PSR)2.控制控制组1)程序程序计数器（数器（PC）2)指令寄存器（指令寄存器（IR）3.存存储器器组1)存存储器地址寄存器器地址寄存器(MAR)2)存存储器数据寄存器器数
7、据寄存器(MBR)计算机及微计算机及微处理器的处理器的基本结构基本结构数据通路数据通路CPU的的RTL描述：描述：控制器控制器数据通路数据通路数据通路数据通路:ALUReg+内部总线内部总线ALU：运算：运算Reg组：暂存组：暂存内总线：传输内总线：传输p简单的单总线简单的单总线(ALU总线总线)p复杂的多级总线复杂的多级总线(片上总线片上总线)ALU、通用寄存器、通用寄存器、ALU输入输出寄存器的结构输入输出寄存器的结构l在在汇编语言中，言中，ALU(算算术逻辑单元元)单元直接元直接访问通用寄通用寄存器存器进行运算行运算(C=A+B)l在硬件在硬件实现时，通用寄存器中，通用寄存器中的数据先被
8、的数据先被读到流水到流水线寄存器寄存器（即（即ALU的的输入寄存器）中，入寄存器）中，ALU运算运算结束后，数据会存束后，数据会存储在在ALU的的输出寄存器中，最后出寄存器中，最后再送回到通用寄存器中再送回到通用寄存器中ARALU输入输入1,BRALU输入输入2 运算结果运算结果R输出输出 RALU输出输出C ALU的输出的输出1.算算术逻辑运算运算结果果2.运算运算结果的果的标志信息志信息(N、Z、C、V），该信信息放在程序状息放在程序状态寄存器（寄存器（PSR）中）中控制器组成控制器组成1.时序控制部件序控制部件指令周期指令周期工作周期工作周期时钟周期周期(工作脉冲工作脉冲)2.指令指令译
9、码逻辑微程序（微程序（CISC）硬硬连逻辑（RISC）3.控制控制单元元 时钟（时序控制部件）时钟（时序控制部件）时序控制部件：脉冲源序控制部件：脉冲源+分分频逻辑；用以；用以产生各种系生各种系统所需所需的、的、满足足时序要求的控制信号。序要求的控制信号。1.时钟周期周期Tn 处理器完成一个基本操作所用时间的最小单位处理器完成一个基本操作所用时间的最小单位 2.工作周期工作周期Mn 指令周期中的不同工作阶段指令周期中的不同工作阶段3.指令周期指令周期 读取并执行一条指令所需的时间读取并执行一条指令所需的时间4.总线周期周期 完成一次存储器读完成一次存储器读/写操作所用时间写操作所用时间 ISA
10、（Instruction Set Architecture）的出现 IBM IBM在它的在它的System/360System/360计算计算机中引入了机中引入了ISA(Instruction Set ISA(Instruction Set ArchitectureArchitecture指令集体系结构指令集体系结构)的概的概念，将编程所需要了解的硬件信息从念，将编程所需要了解的硬件信息从硬件系统中抽象出来，这样软件人员硬件系统中抽象出来，这样软件人员就可以面向就可以面向ISAISA进行编程，开发出的进行编程，开发出的软件不经过修改就可以应用在其他采软件不经过修改就可以应用在其他采用同样用同样
11、ISAISA架构的系统上。架构的系统上。早期，软件的编写都是直接面早期，软件的编写都是直接面向硬件系统的，即使是同一计算机向硬件系统的，即使是同一计算机公司的不同计算机产品，它们的软公司的不同计算机产品，它们的软件都是不能通用的。件都是不能通用的。人类与计算机的沟通语言指令集架构指令集架构(ISA)：是体系结构的主要内容之一，对是体系结构的主要内容之一，对CPU的的基本组织会产生非常大的影响。基本组织会产生非常大的影响。ISA功能设计实际就是确定功能设计实际就是确定软硬件的功能分配。软硬件的功能分配。1考虑因素考虑因素 速度、成本和灵活性速度、成本和灵活性2实现方式实现方式 硬件、软件硬件、软
12、件 3优化策略优化策略 RISC、CISC；流水线；多核；流水线；多核；4实现内容实现内容 指令功能、数据类型、指令格式、寻址方式指令功能、数据类型、指令格式、寻址方式5实现步骤实现步骤1.根据应用初拟出根据应用初拟出指令指令的分类和具体的指令；的分类和具体的指令；2.编写出针对该指令系统的各种高级语言编写出针对该指令系统的各种高级语言编译程序编译程序；3.对多种算法程序进行模拟测试，确认指令系统的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操作码和寻址方式方式的效能是否都比较高；的效能是否都比较高；4.用硬件实现高频使用的指令，软件实现低频使用指令。用硬件实现高频使用的指令，软件实
13、现低频使用指令。3.3 指令系统设计指令系统设计指令集发展历程3.3.1 机器指令的组成1.操作码操作码(operation code，opcode)：需要完成的操作：需要完成的操作2.源操作数源操作数(source operand reference)：操作所需的输入：操作所需的输入(可能在可能在处理器的寄存器或内存储器或处理器的寄存器或内存储器或I/O设备中设备中)3.结果操作数结果操作数(result operand reference)：操作产生的结果：操作产生的结果4.下一条指令下一条指令(next instruction reference)：告诉：告诉CPU到到 哪里取下一条指令
14、哪里取下一条指令 3.3.2指令格式在在计算机算机内部内部，指令由一个，指令由一个二二进制位串制位串来表示。来表示。相相应于指令的各要素于指令的各要素,这些位串划分成几个些位串划分成几个字段字段：1.操作操作码字段：字段：说明明CPU应进行的操作行的操作(决定决定CPU的的软件功能特性件功能特性)2.操作数操作数/地址字段地址字段(寻址方式址方式决定决定CPU硬件功能特性硬件功能特性)l说明源操作数和目的操作数存放的位置信息l说明源操作数和目的操作数的数据类型3.下一条指令地址字段下一条指令地址字段指令字段分类常见指令常见指令字段分配字段分配操作码操作码位段分配位段分配机器指令符号表示法sym
15、bol representation 由于直接与机器指令二进制表示法打交道很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)。操作码可缩写成操作码可缩写成助记符(mnemonic)来表示：来表示：ADD加加SUB减减MUL乘乘DIV除除LOAD由存储器装入由存储器装入STOR存入存储器存入存储器yyyy-M-20/68汇编语言助记符汇编语言助记符1.操作助操作助记符符ADD，SUB，MUL，DIV2.操作数助操作数助记符符X,Y(变量定量定义)3.指令助指令助记符符MOV A，#
16、0 x10 ;A=0 x10，A为寄存器名；寄存器名；ADD A，A,#0 x20 ；A=A+0 x20；3.3.3指令类型指令类型指令按功能可分成以下三种基本指令按功能可分成以下三种基本类型：型：1.数据传输：数据传输：将数据从一个地方（源地址）复制到另一个将数据从一个地方（源地址）复制到另一个 地方（目的地方（目的地址），传输结束后源地址中的内容不变。地址），传输结束后源地址中的内容不变。u 数据数据传送范送范围：R-R、R-M、M-R或或M-Mu 数据数据传送送宽度度：一般：一般为固定固定值（如（如8、16或或32bit），其它），其它宽度的数据度的数据传送送一般可一般可通通过软件移位和合并操作来件移位和合并操作来实现。2.数据运算：数据运算：包括包括算术运算（加、减、乘、除等）和逻辑算术运算（加、减、乘、除等）和逻辑 运算（与、运算（与、或、非、异或等）或、非、异或等）。该类指令指令需要明确操作数的需要明确操作数的类型和型和长度度。3.控制类：控制类：用于改变正常的程序执行流程，完成程序的跳转用于改变正常的程序执行流程，完成程序的跳转，主要包括主要包括转移指令和过程指令。转移指
