电子科大-微机原理课件-chap3.pdf

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1、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.指令系统数据类型、指令功能、指令格式、寻址方式2.数据通路ALU、Reg、总线宽度、周期3.控制流程程序、指令、微操作4.时序部件时钟周期、工作周期、指令周期5.控制逻辑随机逻辑、微程序(微码)3.3指令流水线技术特点、操作、局限、设计3.4典型微处理体系结构简介ARM、x863.5先进的微处理器技术2012/1/21第三章习题作业：1~3、5、9、10、11、13~15思考

2、：1.6、4、6~8、12、16补充题(选作）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。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

3、为254条呢？说明其理由。几个概念1.中央处理单元控制器、运算器、寄存器CentralProcessingUnit,CPU2.微处理器单片MicroProcessingUnit,MPU芯3.微控制单元片MicroControlUnit,MCUCPU、少量存储器及I/O接口4.单片机5.计算机CPU+存储器+总线/接口+外设2012-1-214/86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

4、能：①指令控制：控制指令按程序逻辑顺序执行。②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。③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。④数据加工：对数据进行算术和逻辑运算处理。⑤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CPU的作用是协调和取指令，PC值加1控制计算机的各个部件并执行程序中的指令序Y停机?列，因此应具有以下基N本功能：译码并执行结束①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

5、及控制信号。②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。③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。2012-1-216/86微处理器的基本结构冯·诺依曼机：Ø5大部件Ø存储程序Ø串行单顺序CPU的RTL描述：数据通路Ø数据通路Ø控制器数据通路:ALU＋Reg+内部总线ØALU：运算ØReg组：暂存Ø内总线：传输p简单的单总线(ALU总线)p

6、复杂的多级总线(片上总线)基本的数据通路结构ALU的实现：(1)由基本门电路实现全加器；(2)由n位全加器构成n位加法器；(3)以加法器为核心，通过扩展输入选择逻辑实现其它基本算术和逻辑运算；ALU功能描述示例算术逻辑运算功能移位运算功能数据通路中数据流的定义开始IRIDALUMEMREG退出微操作通道CISC：寻址方式复杂开始IRIDREGALUMEM退出单通数据通道RISC：Load/Store结构控制器输入输出简化的处理器模型哈佛结构CPU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

7、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；数据通路的实现微处理器的总体结构一．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：Ø数据通路宽度：即字长，CPU单次传送和处理数据的能力。Ø数据通路周期：ALU运算并将保存结果的过程。二．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）、……指令系统设计指令集结构(ISA)是体系

8、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。一．考虑因素速度、成本和灵活性二．实现方式硬件、软件三．优化策略RISC、CISC；流水线；多核；……四．实现内容数据类型、指令功能、指令格式、寻址方式五．实现步骤–根据应用