微处理器体系机构以及功能模块简介 链接到标题
基本功能 链接到标题
- 指令控制
- 操作控制
- 时间控制
- 数据加工：就是数据运算
- 中断处理：也就是在异常中断之后重新启动可以接着执行。
主要性能指标 链接到标题
- 主频
- 外频
- 倍频=主频×外频
- 地址总线宽度
- 数据总线宽度
基本结构 链接到标题
从结构上可以分成下面四种
- 运算器(ALU)
- 寄存器组
- 控制器
- 内总线 进一步的分类将在下面介绍。
数据通路 链接到标题
运算器(ALU)、寄存器组、内总线这三部分称为数据通路。
控制器 链接到标题
其指令译码部件可以分为两种，分别使用两种指令体系
- 微程序(CISC)
- 硬连逻辑(RISC)
两种控制器的比较 链接到标题
| 硬联逻辑处理器 | 微程序处理器 | |
|---|---|---|
| 需求背景 | 需求量大，但性能要求不高 | 需要高性能，而存储器访问速度太慢 |
| 目标 | 减少制造成本 | 设计新CPU时能减少重复设计费用 |
| 方法 | 减少使用的门电路总数 | 把指令集与硬件的设计分开 |
| 用途 | 支持RISC | 支持CISC |
指令系统 链接到标题
指令要素 链接到标题
- 操作码
- 源操作数(这就牵涉到数据的储存位置)
- 结果/目标操作数
- 下一条指令
指令类型 链接到标题
数据传输 链接到标题
- 数据传送范围：
- 寄存器
- 存储器
- I/O接口
- 数据传送宽度：一般为固定值(如8、16、32bit)
数据运算 链接到标题
即加减乘除和逻辑运算。 该类指令需要明确操作数的类型和长度
控制类 链接到标题
用于改变正常的程序执行流程，完成程序的跳转，主要包括转移指令和过程指令。 ·
指令格式 链接到标题
分类 链接到标题
操作码字段 链接到标题
- 说明CPU应进行的操作，
- 按操作类型分组:同类操作要求同样或类似的控制信号，因此编码也类似（有尽可能多的公共位）
操作数字段/地址字段 链接到标题
- 说明源操作数和目的操作数存放的位置信息(R、M或I/O);
- 说明源操作数和目的操作数的数据类型;
下一条指令地址字段 链接到标题
- 如紧跟当前指令，在主存或虚存中，则不需显示引用；(连续储存)
- 如可能产生跳转，则需要显示给出指令存储地址(类似于指针)
指令集设计 链接到标题
寻址方式 链接到标题
即通过地址来寻找指令操作数的方式，先分一个类，下面再来详细讲：
- 立即数寻址：在指令码中指定操作数
- 寄存器寻址：在寄存器中指定操作数
- 直接寻址、间接寻址：在存储器中指定操作数
- PC相对寻址：在汇编程序中指定操作数
- 存储器寻址（存储器映像编址）或端口寻址（独立编址）：擦作数在I/O接口中
立即数寻址 链接到标题
直接在指令中给出了指令数，比如汇编语言
MOV R0,#1
中1就是立即数。 当然，这种方法的缺点也很明显：数字段长度收指令长度的限制。
寄存器(直接)寻址方式 链接到标题
类似于一重指针，操作数在寄存器组中，指令中含的是指向操作数的地址
存储器寻址 链接到标题
直接寻址方式 链接到标题
就是寄存器寻址方式。
寄存器简介寻址方式 链接到标题
即
- 指令存了一个指令指向寄存器；
- 指向的寄存器中的也是一个地址，这个地址指向存储器
- 被指向的存储器中的位置就是操作数了 相当于是二级指针
存储器间接寻址 链接到标题
相当于再多了一层指针
- ……
- 被指向的存储器中的位置也是指针，指向存储器中的另外一个位置
- 这个位置就是操作数了
位移量寻址方式 链接到标题
指令流水线技术 链接到标题
流水线技术特点 链接到标题
- 延迟：从头到尾执行一条指令所需要的时间(ps=$10^{-12}$s)
- 吞吐量：单位时间完成的指令数(GIPS,每秒十亿条指令)
通过拆分组合逻辑，加入了寄存器，延迟会增大，但是可以增大吞吐量(见课件p38)。
流水线的局限性 链接到标题
流水线各段的延迟 链接到标题
也就是说产生了硬件空闲，从而使得性能下降
流水线段数过多 链接到标题
也就是中间插入的寄存器多了，延迟也就增加了，产生两个后果
- 寄存器贵，并且也会增加硬件控制复杂
- 性能没有成比例增加，即效率变低了。
流水线指令相关的局限性 链接到标题
即出现了冒险。
数据冒险 链接到标题
- 违背写后读规则(RAW)
- 违背写后写规则(WAW)
- 违背读后写规则(WAR) 一句话，就是冲突冒险，即当前指令的源操作数与前一条指令的目标操作数相同。 不过有一些解决方法
- 在相关指令之间增加等待周期:(当然，这不是最优解)
- 定向技术：将结果数据从其产生的地方直接传送到所有需要它的功能部件
- 乱序执行:用流水线调度（scheduling）技术来重新组织指令顺序 (见课件p44的例子)
结构冒险 链接到标题
……
控制冒险 链接到标题
……
指令流水线的性能指标 链接到标题
吞吐量 链接到标题
- 吞吐量$T_p$：单位时间内完成的指令数
- 最大吞吐量$T_{pmax}$：流水线达到稳定状态后的吞吐量(即在大量代码满负荷情况下的理想流水线状态)。
若一个m级线性流水线各级时长(即拍长)均为$\Delta t$，则连续处理n条指令时的实际吞吐量$T_p$为 $$ T_p=\frac{n}{m\Delta t+(n-1)\Delta t}=\frac{1}{\left[1+\frac{m-1}{n}\right]\Delta t} $$ 其中$m\Delta t$可以理解为建立流水线的过程，$(n-1)\Delta t$就是完成剩下的指令所用的时间。 当$n\to \infty$，就可以得到 $$ T_{pmax}=\frac{1}{\Delta t} $$ s
加速比 链接到标题
定义：非流水线执行时间与流水线执行时间之比。。
反应的是流水线对不使用流水线的优化程度。
若一个m级线性流水线各级时长(即拍长)均为$\Delta t$，则连续处 理n条指令时的加速比$S_p$为: $$ S_p=\frac{T_{\text{串行}}}{T_{\text{流水}}}=\frac{nm\Delta t}{m\Delta t+(n-1)\Delta t}=\frac{m}{\frac{m-1}{n}} $$ 同样取极限($n\to\infty,S_p\to m$)可以知道理想流水线的加速比与流水线的段数m相同。
效率 链接到标题
即各段硬件的利用率
定义：若一个m级线性流水线各级时长(即拍长)均为$\Delta t$，则连续处理n条指令时的效率E为 $$ E_p=\frac{nm\Delta t}{[m^2+(n-1)m]\Delta t}=\frac{1}{1+\frac{m-1}{n}} $$ 当$n\to\infty$,$E\to 1$,即流过流水线的指令越多，流水线效率越高。
典型微处理体系结构 链接到标题
ARM体系结构 链接到标题
结构 链接到标题
- RISC指令集，内核小， 功耗低、成本低
- 哈佛结构
- 运算器操作数只能从 寄存器输入/输出
- 采用桶式移位器处理 ALU输入，灵活高速
系统结构特点 链接到标题
- RISC指令规则，适合流水设计
- 寻址方式灵活简单，执行效率高，仅Load和Store指令可以 访问存储器
- 所有指令的条件执行实现最快速的代码执行
- 支持Thumb（16 位）/ARM（32 位）双指令集，能很好的兼 容8 位/16 位器件 53
Intel 8086体系结构 链接到标题
结构 链接到标题
- 冯式结构
- 运算器操作数可以从寄存器、存储器或I/O端口获得
- 分成两大功能部件EU、BIU 54
特点 链接到标题
- 为保持兼容性采用变长的、高度不规则的 CISC指令集。
- 是基于专用寄存器组的二地址存储器-寄存 器(M-R)机：对于二元操作，一个操作数总 是指定在寄存器中，另一个操作数可以从 存储器或寄存器中读取