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处理器设计指令系统数据通路控制流程时序部件控制逻辑3.3指令流水线技术3.4典型微处理体系结构简介3.5先进的微处理器技术ARM、x86随机逻辑、微程序(微码)数据类型、指令功能、指令格式、寻址方式ALU、Reg、总线程序、指令、微操作时钟周期、工作周期、指令周期特点、操作、局限、设计宽度、周期9/9/2021第三章习题作业：1~3、5、9、10、11、13~15思考：1.6、4、6~8、12、16补充题(选作）2、某计算机指令系统中，指令字长为12位，每个地址

2、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为254条呢？说明其理由。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。流水线结构与微码结构的比较比较下列操作在微码CPU和流水线CPU中的执行情况Mem(Reg1)+Mem(Reg2)→Reg3微码机器

3、（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CPU3次指令，2次数据1次指令，2次数据取指+译码执行：取操作数×2，加法，存结果中央处理单元CentralProcessingUnit,CPU微处理器MicroProcessingUnit,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+

4、存储器+总线/接口+外设几个概念*5/86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的作用是协调和控制计算机的各个部件并执行

5、程序中的指令序列，因此应具有以下基本功能：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。*7/86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：数据通路控制器数据通路:ALU＋Reg+内部总线ALU：运算Reg组：暂存内总线：传

6、输简单的单总线(ALU总线)复杂的多级总线(片上总线)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与主存之间的传送通路，使其容易控制;3.寄存器MAR和MDR对用户透明；微处理器的总体结构数据通道组成：ALU+寄存器+内部总线功能：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）；特性：数据通路宽度：即字长，CPU单次传送和处理数据的能力。数据通路周期：ALU运算并将保存结果的过程。控制单元（控制器）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

7、连逻辑（RISC）、……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