微處理器體系結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)

1微處理器的功能與構(gòu)成2指令系統(tǒng)（格式、類型、尋址方式）3幾種典型微處理器體系結(jié)構(gòu)第三章微處理器體系結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)CPU簡化模型Temp寄存器組控制部件IRABbufferDBbufferPCALU3.1CPU功能和構(gòu)成處理器的基本功能

取指令根據(jù)程序計數(shù)器PC中的值，從存儲器讀出現(xiàn)行指令,送到指令寄存器IR，然后PC自動加1指向下一條指令。

分析指令(譯碼/解碼)將IR中的指令操作碼譯碼，分析其指令性質(zhì)。如指令要求操作數(shù)，則尋找操作數(shù)地址。執(zhí)行指令取出操作數(shù)，執(zhí)行指令規(guī)定的操作。根據(jù)指令不同還可能寫入操作結(jié)果。協(xié)調(diào)和控制計算機(jī)各部件，執(zhí)行指令序列指令譯碼、執(zhí)行算數(shù)和邏輯運算與存儲器和外設(shè)交換數(shù)據(jù)提供系統(tǒng)所需控制CPU功能數(shù)據(jù)通路控制器CPU主存儲器輸入/輸出處理器基本功能結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)通路通用寄存器R累加器ACC程序計數(shù)器PC指令寄存器IR狀態(tài)標(biāo)志寄存器FR地址寄存器MAR數(shù)據(jù)緩沖器MBRALUALU總線基本的二進(jìn)制算術(shù)、邏輯及移位運算；根據(jù)運算結(jié)果設(shè)置狀態(tài)標(biāo)志（進(jìn)/借位、溢出等）控制器指令譯碼微命令序列控制邏輯時序+控制電平指令地址計算取指令指令譯碼計算操作數(shù)地址取操作數(shù)運算計算操作數(shù)地址存操作數(shù)3.2處理器設(shè)計指令系統(tǒng)硬件軟件硬件功能設(shè)置相應(yīng)指令（格式、類型、尋址方式）配置譯碼邏輯（安排時序、微命令序列）配置數(shù)據(jù)通路（ALU、寄存器）確定總體結(jié)構(gòu)（總線設(shè)計）指令系統(tǒng)控制器設(shè)計設(shè)計步驟生成中央時鐘信號生成執(zhí)行基本指令周期所需的控制信號響應(yīng)中斷或異常事件請求控制器設(shè)計時序控制部件：脈沖源+分頻邏輯；用以產(chǎn)生各種系統(tǒng)所需的、滿足時序要求的時鐘信號現(xiàn)代控制器設(shè)計趨勢:采用非集中控制模式，I/O和M擁有各自的控制器，從而變?yōu)樽灾鞯墓δ懿考?/p>

I/O和M采用異步控制。按照微控制命令的形成方式，控制器可分為隨機(jī)邏輯和微程序兩種基本類型。隨機(jī)邏輯體系——針對CPU中控制器邏輯由硬件邏輯實現(xiàn)指令集結(jié)構(gòu)優(yōu)化指令結(jié)構(gòu)，以減小硬件邏輯復(fù)雜度可通過簡化指令減少所使用的門電路總數(shù)從而減少制造費用。指令集結(jié)構(gòu)與硬件邏輯方程之間存在著密切聯(lián)系，設(shè)計過程復(fù)雜。重用性差，設(shè)計成果很少能再利用到以后的新CPU設(shè)計中。適用于較簡單的指令集結(jié)構(gòu)。①程序計數(shù)器的值經(jīng)MUX送到存儲器；②存儲器送回的指令寫入指令寄存器；③程序計數(shù)器加1后回寫；①寄存器堆中的某個地址寄存器通過MUX尋址存儲器，獲得ALU的一個操作數(shù)；②另一個操作數(shù)來自于寄存器堆中的數(shù)據(jù)寄存器；③ALU的結(jié)果值被回寫入寄存器堆。指令集結(jié)構(gòu)驅(qū)動硬件的邏輯方程定義所需的指令集結(jié)構(gòu)；根據(jù)指令集決定硬件邏輯及狀態(tài)機(jī)；硬件邏輯方程反饋到指令集結(jié)構(gòu)對指令集結(jié)構(gòu)做必要的修改和優(yōu)化；最大限度地減少邏輯復(fù)雜度；隨機(jī)邏輯CPU的設(shè)計步驟指令集結(jié)構(gòu)硬件邏輯方程微碼體系指令由若干微指令組成，每條指令對應(yīng)一組微指令（微碼），對指令的譯碼從硬件邏輯設(shè)計變成設(shè)計微指令（軟件）。指令微碼控制邏輯由于在指令和控制邏輯中間增加“微碼”對指令的解釋更靈活——修改指令集不需要重新設(shè)計硬件芯片的紕漏可能通過微碼修復(fù)——“微碼補丁”適用復(fù)雜指令，減少指令數(shù)，提高讀取指令速度指令集與硬件邏輯設(shè)計分離μpcdecode微碼ROMμIR每個指令周期開始將存儲器中的指令寫入IR指令譯碼，確定執(zhí)行這條指令的微碼程序在微碼ROM的起始地址，將這個地址寫入μpcμpc通過尋址微碼ROM，得到微碼，寫入μIRμIR譯碼后通過控制線向機(jī)器提供控制信號μpc地址加1得到下一條微指令地址，重復(fù)上述過程，直到該指令的整個微碼程序結(jié)束IR指令微控制μ譯碼+1μpcdecodeMicrocodeROMμIRμdecodeRegisterFileTempALUResultPCMemoryIR基本時鐘周期存儲器讀寄存器讀存儲器寫寄存器寫數(shù)據(jù)通路微指令涉及的控制信息微操作所需的數(shù)/地址微操作執(zhí)行的算術(shù)邏輯功能存儲器讀寫操作控制多路分支的邏輯條件下一個微地址微碼結(jié)構(gòu)與隨機(jī)邏輯結(jié)構(gòu)比較隨機(jī)邏輯結(jié)構(gòu)微碼結(jié)構(gòu)硬件設(shè)計與指令集同步設(shè)計、優(yōu)化指令集設(shè)計不影響硬件性能比較邏輯硬布線，速度快，缺乏靈活性；適用于簡單指令集需微碼控制邏輯，開銷大；靈活好，適應(yīng)復(fù)雜類型指令，減少指令數(shù)量一條指令一個微程序（一組微指令）多個微操作（微控制）IR譯碼μIR譯碼3.3指令系統(tǒng)設(shè)計機(jī)器指令要素操作碼(operationcode，opcode)：需要完成的操作源操作數(shù)(sourceoperandreference)：操作所需的輸入結(jié)果操作數(shù)(resultoperandreference)：操作產(chǎn)生的結(jié)果下一條指令引用(nextinstructionreference)：告訴CPU到哪里取下一條指令。操作數(shù)可以位于指令(常量) 寄存器(提供寄存器編號)主存或虛存(提供地址) I/O設(shè)備(提供接口地址)

操作數(shù)指令爬類型數(shù)據(jù)恨傳送數(shù)據(jù)其從源堂復(fù)制圖到目綱的MO膠VEPU沾SH怎/胡PO伍PLO想AD壇/S純TO債RE算數(shù)鞋邏輯憐運算基本下算數(shù)籍運算舍和比細(xì)特位聾操作AD妻D(zhuǎn)/膊SU止B/你MU陰L/坦DI誓VAN留D/薪OR稼/N功OTSH惠IF籠T竟BI桃T控制哲轉(zhuǎn)移改變堵指令宣執(zhí)行伸順序BR瞇AN臣CEJU薪MP指令曠格式操作踢碼操作甩數(shù)1操作震數(shù)2……將要燥執(zhí)行吼的操痰作源、虜目的越操作財數(shù)存呢放的奶位置性（R-麥M-恨I/猛O）數(shù)據(jù)婚類型立即焦數(shù)或榴位移蓬量其它蹄附加萌信息尋址僚方式操作蓋數(shù)由軟指令來直接與給出冤：立即腔數(shù)尋歌址操作網(wǎng)數(shù)存促放在滅寄存零器中：寄存顏器尋天址操作泛數(shù)存伴放在菜存儲有器中：存儲駝器尋破址。孕指令宗中給械出操茫作數(shù)須所在鍬的有效靈地址。MO督V撈R1堅,R愛0MO禿V奪R0宿,#晝10克0尋找藏操作栗數(shù)的墓來源巷的方莫式稱恢為尋妹址方扛式。1存儲器直接尋址——直接給出操作數(shù)存儲地址ADDRdRs1addrADDRd,Rs1,(addr);Rd←(Rs1)+mem[addr]2寄存器間接尋址——寄存器內(nèi)容代表操作數(shù)存儲地址ADDRdRs1Rs2ADDRd,Rs1,(Rs2);Rd←(Rs1)+mem[(Rs2)]AD臣D鉗Rd天,R哈s1級,@匪(R緒s)第;R遇d←縫(R瞧s1廟)+教me名m[丸me喉m(礙Rs赤)]3存儲籠器間臣接尋就址——存儲封器內(nèi)妹容代銜表操叮作數(shù)放存儲蘇地址ADDRdRs1Rs(Rs)(m脅2)ADDRd,Rs1,@(Rs)…………m2nAD次D擴(kuò)R秤d恰R是s1Rsim廣mAD槳D居R奮d,慣Rs躍1,疲As吼ta依rt斥(R飾s)導(dǎo);鼻Rd估←(菊Rs冬1)積+m撤em旱[(肯Rs啄)+鄉(xiāng)豐As渠ta疫rt迷]4位移扛量尋伐址——寄存柱器內(nèi)焦容+位移款量代響表操辟作數(shù)徒存儲數(shù)地址ADDRd,Rs1,Astart(Rs)A[0]A[1]A[2]A[3]As抹ta織rt………(Rs往)+居As消ta犧r(nóng)tAD擦D禍R沿d張R澡s1RsRxAD訓(xùn)D越R米d,沈Rs擊1,變(R襪s)呀+(納Rx攏)雖;R顧d←扎(R木s1鴿)+腹me席m[澡(R疫s)趟+(害Rx往)]5指數(shù)印尋址——基址報寄存要器+指數(shù)乏寄存鑰器之響和代茫表操潮作數(shù)趣存儲宗地址ADDRd,Rs1,(Rs)+(Rx)A[0]A[1]A[2]A[3](Rs)………(Rs膽)+無(R劈燕x)6自增零和自語減尋尚址——堆棧申指針弟表示析棧頂遇地址PU紡SH瓣:S車TO精RE釋-SP發(fā),R亮s;冬SP位←(隨SP拋-d蓬),me妹m[叮(S僅P)段]←譜(R選s)入棧出棧DnDn-1PO蠢P:謙LO扮ADRd招,S反P+窗;Rd放←m像em魚[(劈燕SP)]引,SP于←(敬SP滅)+忽d…棧頂SP新棧棒頂AD夾D兆R克d黎R鬼s1RsRxim鉗mAD腳D善R沒d,先Rs填1,As間ta脾rt床(R潤s)渴(R雪x);R冰d←匠(R時s1溜)+鼻me浩m[從As北ta造rt志+(慣Rs騙)+紹(R葡x)益×d轉(zhuǎn)]7比例蜜尺尋惱址——基址嫩寄存全器+指數(shù)騎寄存基器+位移香量=操作蝕數(shù)存藝儲地燦址ADDRd,Rs1,(Rs)+(Rx)A[0]A[1]A[2]A[3](Rs)……As罰ta銹r+泰(R艘s)黨+(鼠Rx夢)x秧ddBy涉tePC相對缸尋址——轉(zhuǎn)移蹦到目特標(biāo)JU危MPim矩mJU礦MP未la繼be爪l凱;PC屆←[拐la原be匹l]=匹(PC齡)+柏im機(jī)mla桶be平l為目殖標(biāo)地錦址（吊絕對駁地址是），秘譯碼陣時根哨據(jù)PC當(dāng)前怖值（黎該指沾令的膽下一擁條指貪令地雖址）愧和la攤be律l計算奮出im嚷m（相遞對偏脈移量旺）。im嬌m可正拍可負(fù)卡（補典碼表木示）抖。3.躬4指令供流水益線使用都流水讓線技爭術(shù)重陽疊執(zhí)聾行指灶令，煤提高孤吞吐部量寄存揉器30拍0p復(fù)s20儉ps10紅0p音s10少0p理s10琴0p蘇s20腸ps20粱ps20法ps非流么水線傲延滾遲32種0p柏s吞吐奴量3.門12灘GI載PS三段訓(xùn)流水次線夕延遲36棄0p竄s吞吐齊量8.形33稻GI循PSabcabc指令冷流水肚線基欄本要鑼求流水宏線各漠段操在作相井互獨印立，瓜各段氧操作返所需濕部件悅不產(chǎn)峰生沖罰突；流水靈線各遵段通壘過公被共時證鐘實州現(xiàn)同慶步操嫂作，債各段零操作萄時長醒盡量瓜相等隸。abacdef20戲ps50秒ps時鐘延遲42別0p而s吞吐跨量1/（50松+2養(yǎng)0）=1本4.脹29故GI貿(mào)PSabc50競ps15噴0p團(tuán)s10擇0p才sabcI1牽I2慌I3I3I2I1時鐘abcI4I3I2時鐘I1輸出I1萄I2五I3邀I4依靠港時鐘碼同步隆驅(qū)動殖寄存把器控脂制流沿水線獲各個四階段流水底線體宅系的俯性能考察抬執(zhí)行N條指安令的夾時間秩（從祖第一鑒條開疑始直重到最愧后一囑條完旬成，m級流眼水深愉度，皂每級腎時長Δt）T流水=m評Δt戚+(冒N-梳1)ΔtN…(N漲-1新)Δt執(zhí)行N條指鑒令非子流水可線結(jié)胃構(gòu)所伍用時萬間Tu=Nm粉Δt加速戚比=Tu/T流水=N齒m/普(m遣+N謹(jǐn)-1車)吞吐秒量(t絡(luò)hr桃ou答gh所pu抽t)流水