微处理器体系结构及关键技术

1微处理器的功能与构成2指令系统（格式、类型、寻址方式）3几种典型微处理器体系结构第三章微处理器体系结构及关键技术CPU简化模型Temp寄存器组控制部件IRABbufferDBbufferPCALU3.1CPU功能和构成处理器的基本功能

取指令根据程序计数器PC中的值，从存储器读出现行指令,送到指令寄存器IR，然后PC自动加1指向下一条指令。

分析指令(译码/解码)将IR中的指令操作码译码，分析其指令性质。如指令要求操作数，则寻找操作数地址。执行指令取出操作数，执行指令规定的操作。根据指令不同还可能写入操作结果。协调和控制计算机各部件，执行指令序列指令译码、执行算数和逻辑运算与存储器和外设交换数据提供系统所需控制CPU功能数据通路控制器CPU主存储器输入/输出处理器基本功能结构数据通路通用寄存器R累加器ACC程序计数器PC指令寄存器IR状态标志寄存器FR地址寄存器MAR数据缓冲器MBRALUALU总线基本的二进制算术、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）控制器指令译码微命令序列控制逻辑时序+控制电平指令地址计算取指令指令译码计算操作数地址取操作数运算计算操作数地址存操作数3.2处理器设计指令系统硬件软件硬件功能设置相应指令（格式、类型、寻址方式）配置译码逻辑（安排时序、微命令序列）配置数据通路（ALU、寄存器）确定总体结构（总线设计）指令系统控制器设计设计步骤生成中央时钟信号生成执行基本指令周期所需的控制信号响应中断或异常事件请求控制器设计时序控制部件：脉冲源+分频逻辑；用以产生各种系统所需的、满足时序要求的时钟信号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。随机逻辑体系——针对CPU中控制器逻辑由硬件逻辑实现指令集结构优化指令结构，以减小硬件逻辑复杂度可通过简化指令减少所使用的门电路总数从而减少制造费用。指令集结构与硬件逻辑方程之间存在着密切联系，设计过程复杂。重用性差，设计成果很少能再利用到以后的新CPU设计中。适用于较简单的指令集结构。①程序计数器的值经MUX送到存储器；②存储器送回的指令写入指令寄存器；③程序计数器加1后回写；①寄存器堆中的某个地址寄存器通过MUX寻址存储器，获得ALU的一个操作数；②另一个操作数来自于寄存器堆中的数据寄存器；③ALU的结果值被回写入寄存器堆。指令集结构驱动硬件的逻辑方程定义所需的指令集结构；根据指令集决定硬件逻辑及状态机；硬件逻辑方程反馈到指令集结构对指令集结构做必要的修改和优化；最大限度地减少逻辑复杂度；随机逻辑CPU的设计步骤指令集结构硬件逻辑方程微码体系指令由若干微指令组成，每条指令对应一组微指令（微码），对指令的译码从硬件逻辑设计变成设计微指令（软件）。指令微码控制逻辑由于在指令和控制逻辑中间增加“微码”对指令的解释更灵活——修改指令集不需要重新设计硬件芯片的纰漏可能通过微码修复——“微码补丁”适用复杂指令，减少指令数，提高读取指令速度指令集与硬件逻辑设计分离μpcdecode微码ROMμIR每个指令周期开始将存储器中的指令写入IR指令译码，确定执行这条指令的微码程序在微码ROM的起始地址，将这个地址写入μpcμpc通过寻址微码ROM，得到微码，写入μIRμIR译码后通过控制线向机器提供控制信号μpc地址加1得到下一条微指令地址，重复上述过程，直到该指令的整个微码程序结束IR指令微控制μ译码+1μpcdecodeMicrocodeROMμIRμdecodeRegisterFileTempALUResultPCMemoryIR基本时钟周期存储器读寄存器读存储器写寄存器写数据通路微指令涉及的控制信息微操作所需的数/地址微操作执行的算术逻辑功能存储器读写操作控制多路分支的逻辑条件下一个微地址微码结构与随机逻辑结构比较随机逻辑结构微码结构硬件设计与指令集同步设计、优化指令集设计不影响硬件性能比较逻辑硬布线，速度快，缺乏灵活性；适用于简单指令集需微码控制逻辑，开销大；灵活好，适应复杂类型指令，减少指令数量一条指令一个微程序（一组微指令）多个微操作（微控制）IR译码μIR译码3.3指令系统设计机器指令要素操作码(operationcode，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引用(nextinstructionreference)：告诉CPU到哪里取下一条指令。操作数可以位于指令(常量) 寄存器(提供寄存器编号)主存或虚存(提供地址) I/O设备(提供接口地址)

操作数指令爬类型数据恨传送数据其从源堂复制图到目纲的MO胶VEPU沾SH怎/胡PO伍PLO想AD坛/S纯TO债RE算数鞋逻辑怜运算基本下算数籍运算舍和比细特位聋操作AD妻D/膊SU止B/你MU阴L/坦DI誓VAN留D/薪OR稼/N功OTSH惠IF笼T竟BI桃T控制哲转移改变堵指令宣执行伸顺序BR眯AN臣CEJU薪MP指令旷格式操作踢码操作甩数1操作震数2……将要燥执行吼的操痰作源、虏目的越操作财数存呢放的奶位置性（R-麦M-恨I/猛O）数据婚类型立即焦数或榴位移蓬量其它蹄附加萌信息寻址僚方式操作盖数由软指令来直接与给出冤：立即腔数寻歌址操作网数存促放在灭寄存零器中：寄存颜器寻天址操作泛数存伴放在菜存储有器中：存储驼器寻破址。孕指令宗中给械出操茫作数须所在锹的有效灵地址。MO督V捞R1坚,R爱0MO秃V夺R0宿,#昼10克0寻找藏操作栗数的墓来源巷的方莫式称恢为寻妹址方扛式。1存储器直接寻址——直接给出操作数存储地址ADDRdRs1addrADDRd,Rs1,(addr);Rd←(Rs1)+mem[addr]2寄存器间接寻址——寄存器内容代表操作数存储地址ADDRdRs1Rs2ADDRd,Rs1,(Rs2);Rd←(Rs1)+mem[(Rs2)]AD臣D钳Rd天,R哈s1级,@匪(R绪s)第;R遇d←缝(R瞧s1庙)+教me名m[丸me喉m(碍Rs赤)]3存储笼器间臣接寻就址——存储封器内妹容代衔表操叮作数放存储苏地址ADDRdRs1Rs(Rs)(m胁2)ADDRd,Rs1,@(Rs)…………m2nAD次D扩R秤d恰R是s1Rsim广mAD桨D居R奋d,惯Rs跃1,疲As吼ta依rt斥(R饰s)导;鼻Rd估←(菊Rs冬1)积+m撤em旱[(肯Rs啄)+乡丰As渠ta疫rt迷]4位移扛量寻伐址——寄存柱器内焦容+位移款量代响表操辟作数徒存储数地址ADDRd,Rs1,Astart(Rs)A[0]A[1]A[2]A[3]As抹ta织rt………(Rs往)+居As消ta牺rtAD擦D祸R沿d张R澡s1RsRxAD训D越R米d,沈Rs击1,变(R袜s)呀+(纳Rx拢)虽;R顾d←扎(R木s1鸽)+腹me席m[澡(R疫s)趟+(害Rx往)]5指数印寻址——基址报寄存要器+指数乏寄存钥器之响和代茫表操潮作数趣存储宗地址ADDRd,Rs1,(Rs)+(Rx)A[0]A[1]A[2]A[3](Rs)………(Rs胆)+无(R劈燕x)6自增零和自语减寻尚址——堆栈申指针弟表示析栈顶遇地址PU纺SH瓣:S车TO精RE释-SP发,R亮s;冬SP位←(随SP抛-d蓬),me妹m[叮(S仅P)段]←谱(R选s)入栈出栈DnDn-1PO蠢P:谦LO扮ADRd招,S反P+窗;Rd放←m像em鱼[(劈燕SP)]引,SP于←(敬SP灭)+忽d…栈顶SP新栈棒顶AD夹D兆R克d黎R鬼s1RsRxim钳mAD脚D善R没d,先Rs填1,As间ta脾rt床(R润s)渴(R雪x);R冰d←匠(R时s1溜)+鼻me浩m[从As北ta造rt志+(惯Rs骗)+绍(R葡x)益×d转]7比例蜜尺寻恼址——基址嫩寄存全器+指数骑寄存基器+位移香量=操作蚀数存艺储地灿址ADDRd,Rs1,(Rs)+(Rx)A[0]A[1]A[2]A[3](Rs)……As罚ta锈r+泰(R艘s)党+(鼠Rx梦)x秧ddBy涉tePC相对缸寻址——转移蹦到目特标JU危MPim矩mJU矿MP未la继be爪l凯;PC届←[拐la原be匹l]=匹(PC龄)+柏im机mla桶be平l为目殖标地锦址（吊绝对驳地址是），秘译码阵时根哨据PC当前怖值（黎该指沾令的胆下一拥条指贪令地虽址）愧和la摊be律l计算奋出im嚷m（相递对偏脉移量旺）。im娇m可正拍可负卡（补典码表木示）抖。3.躬4指令供流水益线使用都流水让线技争术重阳叠执聋行指灶令，煤提高孤吞吐部量寄存揉器30拍0p复s20俭ps10红0p音s10少0p理s10琴0p苏s20肠ps20粱ps20法ps非流么水线傲延滚迟32种0p柏s吞吐奴量3.门12滩GI载PS三段训流水次线夕延迟36弃0p窜s吞吐齐量8.形33稻GI循PSabcabc指令冷流水肚线基栏本要锣求流水宏线各漠段操在作相井互独印立，瓜各段氧操作返所需湿部件悦不产峰生冲罚突；流水灵线各遵段通垒过公被共时证钟实州现同庆步操嫂作，债各段零操作萄时长醒尽量瓜相等隶。abacdef20戏ps50秒ps时钟延迟42别0p而s吞吐跨量1/（50松+2养0）=1本4.胀29故GI贸PSabc50竞ps15喷0p团s10择0p才sabcI1牵I2慌I3I3I2I1时钟abcI4I3I2时钟I1输出I1萄I2五I3邀I4依靠港时钟码同步隆驱动殖寄存把器控脂制流沿水线获各个四阶段流水底线体宅系的俯性能考察抬执行N条指安令的夹时间秩（从祖第一鉴条开疑始直重到最愧后一嘱条完旬成，m级流眼水深愉度，皂每级肾时长Δt）T流水=m评Δt戚+(冒N-梳1)ΔtN…(N涨-1新)Δt执行N条指鉴令非子流水可线结胃构所伍用时万间Tu=Nm粉Δt加速戚比=Tu/T流水=N齿m/普(m遣+N谨-1车)吞吐秒量(t络hr桃ou答gh所pu抽t)流水