第3章 微处理器体系结构及关键技术ppt课件.ppt

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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处理器的主要功能处理器的基本结构一个简化的处理器模型结构示例3.2处理器设计3.3指令系统设计3.4指令流水线技术3.5典型微处理体系结构简介2021/10/8ARM、x86特点、操作、局限、设计Intel公司简介1.时势造英雄2.英特尔摩托罗拉之战3.指令集之争(CISC和RISC)4.英特尔和AMD的关系5.天步艰难参考资料：《浪潮之巅》第五章奔腾的芯（英特尔Intel）《大话处理器》中央处理单元CentralProcessingUnit,CPU微处理器Micr

2、oProcessingUnit,MPU微控制单元MicroControlUnit,MCU单片机计算机单片芯片控制器、运算器、寄存器CPU、少量存储器及I/O接口CPU+存储器+总线/接口+外设几个概念*3/86微处理器主要性能指标主频：即微处理器时钟频率。如Pentium42GHz同系列的微处理器，主频越高，速度越快。但主频相同的微处理器，速度不一定都相同，因结构有差异外频：微处理器外部总线工作频率。如Pentium42GHz的外频为400MHz倍频:主频=外频X倍频；地址总线宽度：决定访存空间。如32位地址线访问232=4GB存储

3、单元数据总线宽度：决定微处理器与外部存储器、输入/输出部件之间一次交换的二进制数据位数。如8、16、32、64位。注意：地址总线宽度与数据总线宽度没有关系。微处理器的基本结构冯·诺依曼机：5大部件存储程序串行单顺序数据通路CPU的RTL描述：数据通路控制器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

4、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的基本功能模型编程人员看到的CPU数据通路:ALU＋Reg+内部总线ALU：运算Reg组：暂存内总线：传输简单的单总线(ALU总线)复杂的多级总线(片上总线)CPU的寄存器简化模型寄存器分类（按功能）CPU组通用寄存器(GPR)：可拆分为两个寄存器状态寄存器（CPSR）控制组程序计数器（PC）指令寄存器（IR）存储器组

5、存储器地址寄存器（MAR）存储器数据寄存器（MBR）控制器组成时序控制部件指令周期工作周期时钟周期(工作脉冲)指令译码逻辑微程序（CISC）硬连逻辑（RISC）控制单元控制器简化模型时钟：规定控制器如何“遵守时间”。每个时钟脉冲完成一个(或一组同时)微操作指令寄存器：当前指令的操作码用于确定在执行周期内完成何种微操作标志：用来确定CPU的状态和前面ALU操作的结局来自系统总线控制信号：例如中断信号和握手应答信号CPU内的控制信号：启动指定的ALU功能或寄存器与其他部件之间传送数据的信号到系统总线的控制信号：对存储器的控制信号和到I/

6、O模块的控制信号时钟（时序控制部件）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。时钟周期Tn处理器完成一个基本操作所用时间的最小单位工作周期Mn指令周期中的不同工作阶段指令周期读取并执行一条指令所需的时间总线周期完成一次存储器读/写操作所用时间处理器各功能模块间的互连哈佛结构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MBR简化了CPU与主存之间的传送通路，使其容易控制;3.寄存器MAR和MBR对用户透明,即不能编程访问；指令集架构(ISA，InstructionSetArch

7、itecture)：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。3.3指令系统设计3.3.1机器指令的组成操作码(oper

8、ationcode，opcode)：需要完成的操作源操作数(sourceoperandreference)：操作所需的输入结果操作数(resultoperandreference)：操作产生的结果下一条指令(nextinstructi