现代微机结构RISC技术ppt课件.ppt

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1、第三章RISC微处理器技术第一节RISC技术概述一、RISC起源CISC—ComplexInstructionSetComputerRISC—ReducedInstructionSetComputer指令集:控制器设计的基础计算机工作过程:各种信息在受控状态下的流动过程。“受控”的表现:时间的控制操作应在什么时间进行并完成时机的控制操作什么时刻进行(定时)方向的控制信息流动的起点与终点表现形式门电路的开和关信号、打入脉冲等。执行的指令和机器的状态控制依据指令功能分解结合时序完成上述控制—组合逻辑设计指令功能分

2、解成微操作－结合时序信号－逻辑表达式综合并化简－逻辑电路实现例:(1)执行指令:ADDR1,R2硬件模型完成:R1+R2R1+R0CLK+R0EN+Lat1ALU锁存器2锁存器1R0Rn+Lat2将指令执行分为三个阶段:取指(FET)执行(EXE)译码(DE)+R1EN+Lat1+R2EN+Lat2根据取指(FET)—译码(DE)—执行(EXE)①在执行阶段所需微操作序列:+R1CLK;R1内容输出到内部总线;锁存器1的打入脉冲;R2内容输出到内部总线;锁存器2的打入脉冲;相加结果打入R1②结合时序FETDEEX

3、ET1T2T3T4.....+R1EN=+ADD·EXE·T1+Lat1=+ADD·EXE·T1+R2EN=+ADD·EXE·T2+Lat2=+ADD·EXE·T2+R1CLK=+ADD·EXE·T4(节拍T3等待加法器完成加法操作)(T1表示在上升沿,T1表示在下降沿)(2)执行指令:MOVR1,(R2)完成(R2)R1在该指令的执行周期EXE,T4时刻:+R1CLK=+MOV·EXE·T4所以：+R1CLK=(+ADD·EXE·T4)+(+MOV·EXE·T4)+(..........)+(..........

4、)......+R1EN=(+ADD·EXE·T1)+(..........)......同理：+Lat2=(+ADD·EXE·T2)+(..........)...........综合简化后逻辑实现：微命令序列运行状态指令译码…...微命令发生器(各种门电路构成)时序优点:硬件实现,速度快缺点:设计过程及电路复杂;修改困难;更新换代困难;—微程序设计指令功能分解成微操作－微操作编码－存入微程序ROM－微命令译码结合时序－完成功能微地址译码器微指令微地址优点:缺点:微命令实现,速度较慢设计过程及电路相对简单;修改和

5、更新换代更容易。采用微程序设计的另一原因:处理器与存储器速度的矛盾传统处理器设计的难题:速度、复杂性、设计周期等矛盾—对指令系统进行的研究,统计表明:软件中大部分指令为简单指令(约80%),复杂指令只占少数(约20％);(如指令:ADC[变址寻址],立即数;复杂指令)软件中的简单指令约占总运行时间的20％,复杂指令约占总运行时间的80％;造成控制电路复杂的主要原因是由于复杂指令的存在;—结论及试验从指令集中去掉复杂指令,而复杂指令功能由软件实现。可简化电路设计,去掉微程序,采用硬连控制方法,提高处理器速度。说

6、明:复杂指令功能由软件实现与提高速度相矛盾?-复杂指令使用频率较低;-去掉微程序,采用硬件控制,提高了速度-简单指令有利于流水线执行-简化电路节省了芯片面积,利于增加Cache容量结论:整体性能有较大提高RISC处理器出现二、RISC处理器特征描述1.简单固定的指令格式指令长度固定指令长度无需译码,简化了译码电路并节省了长度译码时间;指令长度一般设定在总线宽度以内,保证取指令码在一个总线周期完成,避免了多周期取指造成的流水线阻塞;指令字段位置固定使得指令译码与取源操作数并行;指令意义简单:功能单一,简化硬件逻

7、辑2.减少寻址方式和指令数量作为简化硬件逻辑的措施之一。尽量使指令在单周期执行完成;3.流水线(或超级流水线)RISC的设计思想更利于指令按流水线方式的运行。4.大容量高速缓存节省的芯片面积有利于集成大容量高速缓存;缓存更多的指令和数据,减少访存次数。5.大量寄存器减少访存,提高执行速度;上下文切换尽可能在寄存器中完成。以简化的指令集为基础,提高指令执行速度。6.硬连控制(去掉微程序)7.采用存取式体系结构(Load/Store结构)仅专门的访存指令才允许访存。避免执行周期访存造成的流水线阻塞。比如指令:ADDCX

8、,20[BP][SI]在RISC结构是不允许的。8.哈佛(Harvard)总线结构采用相互分离的指令cache和数据cache,利用双总线动态访问机构,使数据存取和指令预取可以并行。10.优化编译技术在编译时,按照指令执行速度的快慢以及CPU的流水线深度等合理调整指令顺序,使CPU最大限度地让流水线并行执行。9.重叠寄存器窗口技术将大量寄存器分成多个重叠寄