第3章微处理器体系结构及关键技术.pptx

第三章 微处理器体系结构及关键技术;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;微处理器主要性能指标;微处理器的主要功能;寄存器组 (通过寄存器序号进行读写） 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 ） 数据通道（运算器） 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： 1) 数据通路宽度：即字长，CPU单次传送和处理数据的能力。 2) 数据通路周期：ALU运算并将保存结果的过程。;CPU的寄存器简化模型及分类;计算机及微处理器的基本结构;数据通路:ALU＋Reg+内部总线;ALU、通用寄存器、ALU输入输出寄存器的结构;ALU的输出;控制器组成;时钟（时序控制部件）;ISA（ Instruction Set Architecture ）的出现;人类与计算机的沟通语言;指令集架构(ISA)： 是体系结构的主要内容之一，对CPU的基本组织会产生非常大的影响。ISA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 指令功能、数据类型、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。;指令集发展历程;3.3.1 机器指令的组成;3.3.2指令格式;指令字段分类;机器指令符号表示法symbol representation;汇编语言助记符;3.3.3指令类型;3.3.4 寻址方式;立即数寻址;寄存器直接寻址方式;存储器直接寻址;寄存器直接寻址与存储器直接寻址对比;寄存器间接寻址方式;存储器直接寻址 VS 寄存器间接寻址;存储器间接寻址方式;位移量寻址方式;变址寻址方式（索引寻址方式）;;PC相对寻址方式;指令集设计示例;扩展操作码(用16个二进制表示76个操作码);3.4 流水线技术;3.4.1流水线技术的特点 ;流水线操作过程;流水线的局限性;流水线加倍，效率未加倍;3.4.4 指令流水线设计;流水线CPU的性能;吞吐率(Throughput Rate);加速比(Speedup Ratio);效率(Efficiency);史上最经典的5级流水线;流水线冲突（P45、P89）;流水线冲突--数据冒险;教材图2-19有错误 (P46);;nop nop;乱序执行流水线（打乱指令执行顺序）;流水线冲突--结构冒险;流水线冲突--控制冒险;流水线CPU的特点及限制;3.5.1 ARM体系结构;ARM指令系统特点;3.5.2 Intel8086体系结构;x86指令系统特点;x86“复杂”外表下的“简单”芯;微处理器设计(P64);;;随机逻辑CPU的设计步骤 ;随机逻辑CPU原理框图;随机逻辑CPU的特点;;微码CPU的控制逻辑与控制流;宏代码到微代码的转换(仅仅是功能示例);微码CPU的特点;微码结构与随机逻辑结构的比较;CISC与RISC的数据流;CPU子系统总结;第三章 习题