微处理器系统结构与嵌入式系统-第三章-微处理器体系结构及关键技术讲解.ppt

微处理器系统结构与嵌入式系统设计;第三章(6) 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;中央处理单元 Central Processing Unit, CPU 微处理器 Micro Processing Unit, MPU 微控制单元 Micro Control Unit, MCU 单片机 计算机;3.1.1微处理器的主要功能;3.1.2CPU最基本的功能;微处理器的基本结构;数据通路:ALU＋Reg+内部总线;控制器;3.1.3简化的处理器模型;简化的处理器模型;CPU与内存储器的接口;3.2 处理器设计微处理器的总体结构;3.2.1处理器设计步骤;3.2.2控制器的操作与功能;3.2.3随机逻辑控制器设计;3.2.4微程序控制器设计;3.2 处理器设计3.2.2基本的数据通路结构;ALU功能描述示例;数据通路中数据流的定义;数据通路的实现;3.2.3控制流程:程序、指令、微操作;3.2.4 时序控制部件;现代控制器设计趋势: 采用非集中控制模式，I/O和M拥有各自的控制器，从而变为自主的功能部件。 I/O和M采用异步控制。 按照微控制命令的形成方式，控制器可分为随机逻辑和微程序两种基本类型。;随机逻辑CPU的体系结构;随机逻辑CPU的特点;最小化逻辑门数目 优化硬件逻辑、尽可能地少用触发器 优化硬件时序 逻辑门级数最小化； 建立并行通路以满足时序约束(增加逻辑) 简化指令集 逻辑简单、寄存器数量少;随机逻辑CPU的设计步骤 ;随机逻辑CPU的操作1-取指令;随机逻辑CPU的操作2-指令译码与执行;Balancing Operators;随机逻辑CPU的指令集设计;指令的简化示例;微码CPU的体系结构;微码CPU的特点;微码结构与随机逻辑结构的比较;微码CPU的设计步骤 ;微码CPU的操作1-指令译码与执行;微码CPU的操作2-读写数据;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。;指令组成及执行过程;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。;指令集设计示例;机器指令集;机器指令符号表示法;数据类型;指令组成要素;指令格式;操作码字段;操作数字段;指令类型;寻址方式;立即数寻址immediate addressing mode;寄存器直接寻址方式register direct addressing mode;存储器直接寻址memory direct addressing mode;存储器间接寻址memory indirect addressing mode;寄存器间接寻址方式register indirect addressing mode;存储器间接寻址方式 memory indirect addressing mode ;位移量寻址方式displacement addressing mode;指数寻址方式indexed addressing mode;比例尺寻址方式scaled addressing mode;PC相对寻址方式Program Counter-related addressing mode;3.4 流水线技术的特点 ;流水线操作过程;流水线的局限性;指令流水线设计;吞吐率(Throughput Rate);加速比(Speedup Ratio);效率(Efficiency);3.5 ARM体系结构;3.5 8086体系结构;ARM指令系统特点;x86指令系统特点;第三章 习题;练习题