uestc微处理器体系结构嵌入式系统设计第3章 微处理器体系结构.pptVIP

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。 若存储器速度为系统瓶颈，则应采用微码CPU 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 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。 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。 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。 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。 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； 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） 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。 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。 (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 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。 通常用于数组、矩阵类向量数据的存取：寄存器值指定数组首址，立即数指定组内偏移； 时序控制部件：脉冲源+分频逻辑；用以产生各种系统所需的、满足时序要求的控制信号。 指令周期 读取并执行一条指令所需的时间 工作周期 指令周期中的不同工作阶段 时钟周期 系统中最小的基本时间分段 优点： 可通过简化指令减少所使用的门电路总数从而减少制造费用。 缺点： 指令集结构与硬件逻辑方程之间存在着密切联系，设计过程复杂。 重用性差，设计成果很