1、微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计1 1第第2 2章章 计算机系统组成与工作原理计算机系统组成与工作原理10学时学时微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计第第2 2章章 计算机系统组成与工作原理计算机系统组成与工作原理2.1 计算机系统的基本结构与组成计算机系统的基本结构与组成（掌握）（掌握）计算机系统的层次模型计算机系统的层次模型计算机系统的结构、组织与实现计算机系统的结构、组织与实现2.2 计算机系统的工作原理计算机系统的工作原理（掌握）（掌握）冯冯诺依曼计算机架构诺依曼计算机架构模型机系统结构模型机系统结构模型机指令集模型机指令集模
2、型机工作流程模型机工作流程2 2微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计第第2 2章章 计算机系统组成与工作原理计算机系统组成与工作原理2.3 微处理器体系结构的改进微处理器体系结构的改进（理解）（理解）冯冯诺依曼结构的改进诺依曼结构的改进并行技术的发展并行技术的发展流水线结构流水线结构超标量与超长指令字结构超标量与超长指令字结构多机与多核结构多机与多核结构2.4 计算机体系结构分类计算机体系结构分类（理解）（理解）2.5 计算机性能评测计算机性能评测（掌握）（掌握）字长字长、存储容量存储容量、运算速度运算速度3 3微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入
3、式系统设计（a）软硬件层次）软硬件层次 （b）语言层次）语言层次2.1.1 2.1.1 计算机系统的层次模型计算机系统的层次模型1.（a）图自下而上反映了系统逐级）图自下而上反映了系统逐级生成生成的过程，自上而下反映了系统的过程，自上而下反映了系统求求解解问题的过程；问题的过程；2.软硬件的逻辑等价性软硬件的逻辑等价性可以表现为：硬件软化（如可以表现为：硬件软化（如RISC思想）、软件硬思想）、软件硬化（如化（如CISC思想）、固件化（如微程序）思想）、固件化（如微程序） ；3.（b）图中的）图中的虚拟机虚拟机：与某种特殊编程语言对应的假想硬件机器：与某种特殊编程语言对应的假想硬件机器微体系结
4、构层微体系结构层（微程序或硬连逻辑）（微程序或硬连逻辑）操作系统层操作系统层语言处理层（解释、编译）语言处理层（解释、编译）用户程序层（语言编程）用户程序层（语言编程）系统分析层（数学模型、算法）系统分析层（数学模型、算法）硬核硬核级级数字逻辑层（硬件）数字逻辑层（硬件）指令系统层（机器语言指令）指令系统层（机器语言指令）应用语言虚拟机应用语言虚拟机高级语言虚拟机高级语言虚拟机汇编语言虚拟机汇编语言虚拟机操作系统虚拟机操作系统虚拟机机器语言级机器语言级微程序级微程序级寄存器级（硬件）寄存器级（硬件）硬件系统：异常处理机构、指令系统、硬件系统：异常处理机构、指令系统、CPU、存储器、存储器、I/
5、O及通信子系统及通信子系统系统软件：操作系统、编译器、数据库管理系统软件：操作系统、编译器、数据库管理系统、系统、Web浏览器、设备驱动、中断服务程浏览器、设备驱动、中断服务程序序应用软件应用软件4 4微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计2.1.2 计算机系统的结构、组成与实现n体系结构体系结构Architecture 程序员关心的计算机概念结构与功能特性程序员关心的计算机概念结构与功能特性如：确定指令集中是否有乘法指令；如：确定指令集中是否有乘法指令；n计算机组成计算机组成Organization从硬件角度关注物理机器的组织从硬件角度关注物理机器的组织 如：乘法指
6、令由专用乘法器还是用加法器实现如：乘法指令由专用乘法器还是用加法器实现n计算机实现计算机实现Realization底层的器件技术、微组装技术、冷却技术等底层的器件技术、微组装技术、冷却技术等如：加法器底层的物理器件类型及微组装技术如：加法器底层的物理器件类型及微组装技术系列机系列机5 5微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计计算机的体系结构 1946年年，美国宾夕法尼亚大学莫尔学院的物理学博士，美国宾夕法尼亚大学莫尔学院的物理学博士Mauchley和电气工程师和电气工程师Eckert领导的小组研制成功世界上第领导的小组研制成功世界上第一台数字式电子计算机一台数字式电子
7、计算机ENIAC 。 著名的美籍匈牙利数学家著名的美籍匈牙利数学家Von Neumann参加了为改进参加了为改进ENIAC而举行的一系列专家会议，研究了新型计算机的体系结构。而举行的一系列专家会议，研究了新型计算机的体系结构。 1949年年，英国剑桥大学的威尔克斯等人在，英国剑桥大学的威尔克斯等人在EDSAC 机上实现机上实现了冯了冯诺依曼模式。诺依曼模式。 直至今天冯直至今天冯诺依曼体系结构依然是绝大诺依曼体系结构依然是绝大多数数字计算机的基础。多数数字计算机的基础。6 6微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计冯冯诺伊曼计算机系统结构框图诺伊曼计算机系统结构框图 7
8、 7微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计体系结构角度的多层结构硬件向上提供的接硬件向上提供的接口：口： 指令系统指令系统 异常事件异常事件 端口定义端口定义8 8微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计体系结构、组成与实现n体系结构体系结构Architecture 程序员关心的计算机概念结构与功能特性程序员关心的计算机概念结构与功能特性如：确定指令集中是否有乘法指令；如：确定指令集中是否有乘法指令；n计算机组成计算机组成Organization从硬件角度关注物理机器的组织从硬件角度关注物理机器的组织 如：乘法指令由专用乘法器还是用加法器实现如
9、：乘法指令由专用乘法器还是用加法器实现n计算机实现计算机实现Realization底层的器件技术、微组装技术、冷却技术等底层的器件技术、微组装技术、冷却技术等如：加法器底层的物理器件类型及微组装技术如：加法器底层的物理器件类型及微组装技术系列机系列机9 9微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计计算机的组成（计算机的组成（1）1010微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计计算机的组成（计算机的组成（2）总线结构总线结构11 11微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计计算机的组成（3）同步数字系统同步数字系统1212微处
10、理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计组织角度的多层结构1313微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计体系结构、组成与实现n体系结构体系结构Architecture 程序员关心的计算机概念结构与功能特性程序员关心的计算机概念结构与功能特性如：确定指令集中是否有乘法指令；如：确定指令集中是否有乘法指令；n计算机组成计算机组成Organization从硬件角度关注物理机器的组织从硬件角度关注物理机器的组织 如：乘法指令由专用乘法器还是用加法器实现如：乘法指令由专用乘法器还是用加法器实现n计算机实现计算机实现Realization底层的器件技术、微组装
11、技术、冷却技术等底层的器件技术、微组装技术、冷却技术等如：加法器底层的物理器件类型及微组装技术如：加法器底层的物理器件类型及微组装技术系列机系列机1414微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计计算机的实现 半导体技术半导体技术 制造技术制造技术 封装技术封装技术 装配技术装配技术 电源技术电源技术 冷却技术冷却技术 1515微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计1616n硬件组成硬件组成u五大部分五大部分u以存储器为中心以存储器为中心n信息表示：二进制信息表示：二进制u计算机内部的控制信息和数据信息均采用计算机内部的控制信息和数据信息均采用二
12、进制二进制表示，表示，并存放在同一个存储器中并存放在同一个存储器中n工作原理：存储程序工作原理：存储程序/指令指令(控制控制)驱动驱动u编制好的程序编制好的程序(包括指令和数据包括指令和数据)预先经由输入设备输预先经由输入设备输入并入并保存在存储器保存在存储器中中u计算机开始工作后，在不需要人工干预的情况下由控计算机开始工作后，在不需要人工干预的情况下由控制器自动、高速地依次从存储器中制器自动、高速地依次从存储器中取出指令并加以执取出指令并加以执行行微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计2.2.2 模型机系统结构基于基于总线总线的的冯冯诺依曼架构诺依曼架构模型机模型机
13、n总线子系统总线子系统：作为作为公共通道连接各公共通道连接各子子部件，用于实现部件，用于实现各部件之间的数据、信息等的传输和交换各部件之间的数据、信息等的传输和交换(第第4章章)n存储器子系统存储器子系统：存放当前的运行程序和数据存放当前的运行程序和数据(第第5章章)n输入输出子系统输入输出子系统:完成计算机与外部的信息交换完成计算机与外部的信息交换(第第6章章)nCPU子系统子系统：集成了集成了运算器、控制器和寄存器的超大运算器、控制器和寄存器的超大规模集成电路芯片规模集成电路芯片(VLSI)（第（第3章）章）1717微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计1.模型机
14、总线结构模型机总线结构按传输信息的不同，可将总线分为数据总线按传输信息的不同，可将总线分为数据总线DB、地、地址总线址总线AB和控制总线和控制总线CB三类三类：地址总线通常是地址总线通常是单向单向的，由的，由主设备主设备(如如CPU)发出，用于选发出，用于选择读写对象择读写对象(如某个特定的存储单元或外部设备如某个特定的存储单元或外部设备)；数据总线用于数据交换，通常是数据总线用于数据交换，通常是双向双向的；的；控制总线包括真正的控制总线包括真正的控制控制信号线信号线(如读如读/写信号写信号)和一些和一些状态状态信号线信号线(如是否已将数据送上总线如是否已将数据送上总线)，用于实现对设备的监，
15、用于实现对设备的监视和控制。视和控制。MPURAMROMI/O接口接口外设外设ABDBCB1818微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计2.模型机内存储器存储器存储器组织组织由许多由许多字节单元字节单元组成，每个单元都有一个唯一的组成，每个单元都有一个唯一的编号编号（存储单元存储单元地址地址），保存的信息称为存储单元，保存的信息称为存储单元内容内容。访问访问(读或写读或写)存储单元存储单元 ：存储单元地址经地址译码后产生相存储单元地址经地址译码后产生相应的选通信号，应的选通信号，同时同时在控制信号的作用下读出存储单元内容在控制信号的作用下读出存储单元内容到数据缓冲器，
16、或将数据缓冲器中的内容写入选定的单元。到数据缓冲器，或将数据缓冲器中的内容写入选定的单元。1919微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计2020Little endian微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计2121各种宽度信息的存储各种宽度信息的存储 (a)按任意相连存储紧凑，但访问需要2总线操作 (b)按整数边界存储 有浪费，但访问效率高有浪费，但访问效率高微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计2222n计算机与直接相联的外围设备进行数据交换的过计算机与直接相联的外围设备进行数据交换的过程通常称为程通常称为输入输
17、入/输出输出(In/Out)，而与远方设备进，而与远方设备进行数据交换的过程习惯上称为行数据交换的过程习惯上称为数据通信数据通信(data communication)微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计算术逻辑单元算术逻辑单元ALU累加器累加器ACC累加锁存器累加锁存器暂存暂存器器标志寄存器标志寄存器FR通用寄存器组通用寄存器组堆栈指针堆栈指针SP程序计数器程序计数器PC微微 操操 作作 控控 制制 电电 路路指令译码器指令译码器ID指令寄存器指令寄存器IR 操作码操作码 , 地址码地址码脉冲分配器脉冲分配器时钟脉冲源时钟脉冲源控制总线控制总线CB地址总线地址总线
18、AB数据总线数据总线DB内部总线内部总线地址缓冲器地址缓冲器数据缓冲器数据缓冲器运算器运算器寄存器组寄存器组控制器控制器4. 模型机CPU子系统2323微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计模型机指令系统指令是发送到指令是发送到CPU的命令，指示的命令，指示CPU执行一个特定的处理，执行一个特定的处理，如从存储器取数据、对数据进行逻辑运算等。如从存储器取数据、对数据进行逻辑运算等。CPU可以处可以处理的全部指令集合称为理的全部指令集合称为指令集指令集(Instruction Set)。指令集结指令集结构构(ISA，Instruction Set Architectur
19、e) 是体系结构的主是体系结构的主要内容之一，对要内容之一，对CPU的基本组织会产生非常大的影响。的基本组织会产生非常大的影响。ISA功能设计实际就是功能设计实际就是确定软硬件的功能分配确定软硬件的功能分配。指令通常包含指令通常包含操作码和操作数操作码和操作数两部分。操作码指明要完成操两部分。操作码指明要完成操作的性质，如加、减、乘、除、数据传送、移位等；操作作的性质，如加、减、乘、除、数据传送、移位等；操作数指明参加上述规定操作的数据或数据所存放的地址。数指明参加上述规定操作的数据或数据所存放的地址。汇编语言源程序汇编语言源程序机器语言程序机器语言程序（目标代码）（目标代码）汇编（汇编程序）
20、汇编（汇编程序）高级语言源程序高级语言源程序编译或解释（编译程序）编译或解释（编译程序）2424微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计2.2.3 模型机常用汇编指令指指 令令 类类 型型操作码示例操作码示例操作数示例操作数示例说说 明明算术类算术类加法加法ADDRs1, Rs2, RdRs, Imm, Rd( (Rs1) )+( (Rs2) )Rd( (Rs) )+ImmRd运算类指令只能对寄存器中运算类指令只能对寄存器中的数据或立即数进行直接操的数据或立即数进行直接操作作减法减法SUBRs1, Rs2, RdRs, Imm, Rd( (Rs1) )- -( (Rs2
21、) )Rd( (Rs) )- -ImmRd逻辑类逻辑类位与位与ANDRs1, Rs2, RdRs, Imm, Rd( (Rs1) )( (Rs2) )Rd( (Rs) )ImmRd位或位或ORRs1, Rs2, RdRs, Imm, Rd( (Rs1) )( (Rs2) )Rd( (Rs) )ImmRd位非位非NOTRs, Rd！( (Rs) )Rd传送类传送类存储器或存储器或I/O读读LDRMEM, RdMEM ( (Rd) )将指定地址的存储单元或将指定地址的存储单元或I/O端口的值读入寄存器端口的值读入寄存器Rd存储器或存储器或I/O写写STRRs, MEM( (Rs) )MEM将寄存器
22、将寄存器Rs的值写入指定地址的值写入指定地址的存储单元或的存储单元或I/O端口端口寄存器访问寄存器访问MOVRs, RdImm, Rd( (Rs) )( (Rd) )跳转类跳转类无条件跳转无条件跳转JMPLableLable( (PC) )条件跳转条件跳转JX/JNXLableIf X为真为真/假，则假，则Lable ( (PC) )过程调用过程调用CALLSub-LableSub-Lable( (PC) )调用子程序调用子程序过程返回过程返回RET- -返回主程序返回主程序其他其他停机停机HLT- -2525微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计2.2.4 模型机工
23、作原理计算机的工作本质上就是计算机的工作本质上就是执行程序执行程序的过程。的过程。n顺序执行顺序执行指令执行的基本过程可以分为指令执行的基本过程可以分为取指令取指令(fetch)、分析指令、分析指令(decode)和执行指令和执行指令(execute)三个阶段。三个阶段。二二非顺序执行非顺序执行1.转移（转移（jump）：执行条件）：执行条件/无条件转移指令，不返回无条件转移指令，不返回2.过程（过程（procedure）调用：主程序调用子程序后返回断）调用：主程序调用子程序后返回断点点3.中断（中断（interrupt）：外界突发事件处理完后返回断点）：外界突发事件处理完后返回断点4.异常（
24、异常（ exception）：）： 程序本身产生的某些例外处理完后重新执行程序本身产生的某些例外处理完后重新执行5.陷阱陷阱(trap) ： 程序本身产生某些例外条件处理完后返回断点程序本身产生某些例外条件处理完后返回断点2626微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计程序的执行过程取指令、分析指令、执行指令取指令、分析指令、执行指令ABDBALU累加器累加器ACC暂存器暂存器标志寄存器标志寄存器FR寄存器组寄存器组 操作控制器操作控制器OC指令译码器指令译码器ID指令寄存器指令寄存器IR 操作码操作码, 地址码地址码内部总线内部总线地址缓冲器地址缓冲器数据缓冲器数据缓
25、冲器程序计数程序计数器器PC地地址址译译码码读控制读控制B0H5CH04H2EH地址地址1001H1002H1003H内容内容1000H内存储器内存储器MOV 5CH, R1ADD R1, 2EH, R21CPU外外CPU内内2727微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计2.3 冯诺依曼体系结构的演进n演进演进1.CPU指令集指令集 2.存储器子系统存储器子系统 3.总线总线4.输入输入/输出子系统输出子系统 n改变改变1.改变控制方式，发展数据、需求、模式等其它驱动方式；改变控制方式，发展数据、需求、模式等其它驱动方式；2.改变串行执行模式，发展改变串行执行模式，发
26、展并行技术并行技术；3-6章重点章重点指令功能、指令格式、寻址方式指令功能、指令格式、寻址方式 分层结构分层结构高速总线高速总线+多种接口方式多种接口方式 冯冯诺依曼型计算机的本诺依曼型计算机的本质特点质特点也造成了其瓶颈：也造成了其瓶颈： 指令执行的指令执行的串行性串行性 存储器读取的存储器读取的串行性串行性2828微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计2.3.1 不同的指令集设计策略：不同的指令集设计策略：CISC与与RISCCISC（Complex Instruction Set Computer，复杂指令集计算机）复杂指令集计算机）不断增强指令的功能以及设置更
27、复杂的新指令取代不断增强指令的功能以及设置更复杂的新指令取代原先由程序段完成的功能，从而实现软件功能的硬化。原先由程序段完成的功能，从而实现软件功能的硬化。RISC（Reduced Instruction Set Computer，精简指令集计算机）精简指令集计算机）通过减少指令种类和简化指令功能来降低硬件设通过减少指令种类和简化指令功能来降低硬件设计复杂度，从而提高指令的执行速度。计复杂度，从而提高指令的执行速度。现代计算机：现代计算机：RISC+CISC2929微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计按处理器指令架构分类按处理器指令架构分类n复杂指令集计算机(Com
28、plex Instruction Set Computer，CISC)，如X86u控制器的设计实现复杂u包含了复杂计算指令且运行时间长n精简指令集计算机(Reduced Instruction Set Computer，RISC)，如IBM的PowerPC，Sun的SPARC，MIPS的MIPS Rxxx系列u高效的编译器才能使RISC优点充分体现u指令数据少且每条指令都能在单时钟周期完成n超长指令集架构是英文(Very Long Instruction Word, VLIW),IA-64,如INTEL的IA64，AMD的X8664u简化处理器结构，删除复杂的控制器电路，每时钟周期可运行20条
29、指令，而CISC通常只能运行1-3条指令，RISC能运行4条指令3030微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计3131CISCCISC的设计思想及特点的设计思想及特点 n每条指令执行单一功能，硬件复杂u为编程方便，往往增加指令数目，指令编码长度增加，硬件译码更复杂u为编程灵活，增加寻址方式，指令长度不一，译码复杂u每条指令完成一个完整功能，因此单条指令涉及多个操作，如取指、参数、运算、存结果等u为增加新功能，需增加新指令，因此指令系统越来越复杂，这也是CISC的由来n如MC68020机就有25种寻址模式 微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计
30、3232RISCRISC的设计思想及特点的设计思想及特点 nRISC的出现简化了指令系统，克服了CISC的缺点，使更多的芯片硅面积可以用于实现流水和高速缓存，有效地提高了计算机的性能。 nRISC机的设计应当遵循以下五个原则。u指令条数少，格式简单，易于译码；u提供足够的寄存器，只允许load和store指令访问内存；u指令由硬件直接执行，在单个周期内完成；u充分利用流水线；u强调优化编译器的作用 微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计3333CISCCISC和和RISCRISC的区别的区别n内核结构内核结构uCISC：数据线和指令线分时复用，即冯：数据线和指令线分时
31、复用，即冯.诺依曼结构诺依曼结构，程序存储器和数据存储器合并编址，程序存储器和数据存储器合并编址uRISC：数据线和指令线分离，即哈佛结构。取指令和：数据线和指令线分离，即哈佛结构。取指令和取数据可同时进行取数据可同时进行n处理器处理器指令集指令集 uCISC：不等长指令集，需要对不等长指令进行分割，：不等长指令集，需要对不等长指令进行分割，执行时间长，采用微码执行时间长，采用微码uRISC：等长精简指令集，执行速度快且性能稳定。可：等长精简指令集，执行速度快且性能稳定。可同时执行多条指令，可将一条指令分割成若干个进程同时执行多条指令，可将一条指令分割成若干个进程或线程，交由多个处理器同时执行
32、，并行处理方面或线程，交由多个处理器同时执行，并行处理方面RISC明显优于明显优于CISCn软件软件uCISC：DOS、WindowsuRISC：成熟的操作系统少，：成熟的操作系统少，Windows需要翻译过程需要翻译过程，速度慢，速度慢微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计3434RISC,CISC看法的误区nRISC指令都是指令都是简单指令简单指令uLDREQ R0,R1,R2,LSR #16!指令的强大，一般的指令的强大，一般的CISC处理器处理器望尘莫及。望尘莫及。RISC的的“简单简单”是指指令集的执行时间、指令长度、指是指指令集的执行时间、指令长度、指令格
33、式整齐划一令格式整齐划一nCISC的复杂指令的复杂指令速度慢、执行效率很低速度慢、执行效率很低u现代现代CISC处理器具有非常长的流水线（处理器具有非常长的流水线（PIII采用了采用了25级的流水线级的流水线），执行速度快。但老的），执行速度快。但老的CPU执行速度可能较慢执行速度可能较慢u但但RISC不管是老的不管是老的CPU，还是新的，还是新的CPU，指令执行时间都是相同，指令执行时间都是相同的，不需要在对指令执行作出优化的，不需要在对指令执行作出优化nRISC处理器比处理器比CISC处理器需要处理器需要更多的寄存器更多的寄存器u这不是一个需求问题，而是一个实现问题。所以有的这不是一个需求
34、问题，而是一个实现问题。所以有的CISC寄存器寄存器与与RISC相当。一般情况相当。一般情况RISC需要比较多的寄存器需要比较多的寄存器nRISC都有流水线都有流水线uARM2没有采用流水线没有采用流水线微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计CISC与与RISC的数据流的数据流IRIDREGALUMEM开始开始退出退出IRIDALUMEMREG微操作通道微操作通道开始开始退出退出单通数据通道单通数据通道RISC：Load/Store结构结构CISC：寻址方式复杂：寻址方式复杂3535微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计分层的存储子系统分层的
35、存储子系统n如何以合理的价格搭建出容量和速度都满足要求的存储系统如何以合理的价格搭建出容量和速度都满足要求的存储系统，始终是计算机体系结构设计中的关键问题之一。，始终是计算机体系结构设计中的关键问题之一。n现代计算机系统通常把不同的存储设备按一定的体系结构组现代计算机系统通常把不同的存储设备按一定的体系结构组织起来，以解决织起来，以解决存储容量、存取速度和价格存储容量、存取速度和价格之间的矛盾之间的矛盾设计目标：设计目标：整个存储系统速度整个存储系统速度接近接近M1而价格和容量接近而价格和容量接近Mn3636微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计3737存储子系统存储
36、子系统n主存（内存）主存（内存）：DRAM(存储数据和临时调入的程序存储数据和临时调入的程序)、FLASH(存储引导程序、固化程序存储引导程序、固化程序(固件固件)，占用寻址，占用寻址空间空间，临时性存储，解决速度问题，临时性存储，解决速度问题u编址方式编址方式：字节编址：字节编址u信息存放方式信息存放方式：大：大/小端小端(big/little endian)系统系统n辅存（外存）辅存（外存）：磁盘、光盘。文件：磁盘、光盘。文件/块存储，虚拟存块存储，虚拟存储介质储介质，较长时间存储，解决容量问题，较长时间存储，解决容量问题n均衡均衡速度、容量、成本、长期存储速度、容量、成本、长期存储等要求
37、而分级等要求而分级n存储器需考虑的存储器需考虑的主要因素主要因素u速度、容量、成本速度、容量、成本微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计其他增加存储器带宽的方法并行存储器并行存储器双端口存储器双端口存储器哈佛体系结构哈佛体系结构DSP程序程序数据数据I/O接口接口外设外设程序地址程序地址数据读地址数据读地址数据写地址数据写地址程序读总线程序读总线数据读总线数据读总线程序程序/数据写数据写数据数据程序程序3838微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计现代高速总线现代高速总线高速并行总线高速并行总线高速总线串行化高速总线串行化3939微处理器系统
38、结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计多级总线结构北桥北桥南桥南桥前端总线前端总线Front Side Bus4040微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计4141外部总线、外部总线、( (系统系统) )外总线外总线如并口、串口如并口、串口系统总线、系统总线、( (系统系统) )内总线内总线如如ISAISA、PCIPCI片片( (间间) )总线总线三总线形式三总线形式片内总线片内总线单总线形式单总线形式计算机系统的四层总线结构运算器运算器寄存器寄存器控控制制器器CPU存储存储芯片芯片I/O芯片芯片主板主板扩展扩展接口板接口板扩展扩展接口板接口板计算机系统
39、计算机系统其其 他他 计算机计算机系系 统统其其 他他仪仪 器器系系 统统微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计输入输出管理方式4242微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计2.3.2 并行处理技术并行处理技术指令级并行技术指令级并行技术ISP流水线流水线、超标量超标量、超长指令字超长指令字系统级并行技术系统级并行技术SLP多处理器多处理器（多机多机/多核多核）、多磁盘、多磁盘线程级并行技术线程级并行技术TLP同时同时多线程多线程SMT电路级并行技术电路级并行技术CLP组相联组相联cache、先行进位加法器、先行进位加法器 并行处理技术实现多
40、个处理器或处理器模块的并并行处理技术实现多个处理器或处理器模块的并行性，其基本思想包括行性，其基本思想包括时间重叠时间重叠（time interleaving）、资源重复资源重复（resource replicaiton）和资源共享和资源共享（resource sharing）。4343微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计2.3.3 流水线技术流水线技术 可通过分可通过分割逻辑，割逻辑，插入缓冲插入缓冲寄存器（寄存器（流水线流水线Reg）来）来构建构建4444微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计指令时空图顺序顺序执行执行4级流级流水线水线
41、执行执行流水线满载流水线满载4545微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计更细的流水线更细的流水线取指（取指（FI）指令译码（指令译码（DI）计算操作数地址（计算操作数地址（CO）取操作数（取操作数（FO）执行指令（执行指令（EI）写操作数（写操作数（WO）4646微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计流水线CPU的特点优点：优点： 通过指令级并行来提高性能。通过指令级并行来提高性能。缺点：缺点：1.增加了硬件成本。增加了硬件成本。2.流水寄存器会引入延迟和时钟偏移，这些额流水寄存器会引入延迟和时钟偏移，这些额外开销会使每条指令的执行时间有所
42、增加，外开销会使每条指令的执行时间有所增加，同时限制了流水线的深度。同时限制了流水线的深度。 3.流水线中各段的操作存在关联（流水线中各段的操作存在关联（dependence）时可能会引起流水线中断，）时可能会引起流水线中断，从而影响流水线的性能和效率。从而影响流水线的性能和效率。4747微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计流水线冲突流水线冲突理想流水线的性能：每个时钟周期完成一条指令理想流水线的性能：每个时钟周期完成一条指令实际流水机器中可能存在实际流水机器中可能存在冒险冒险(hazard)导致停顿：导致停顿： 数据冲突（数据冲突（如后面的计算要用到前面的结果）如
43、后面的计算要用到前面的结果）定向技术可将结果数据从其产生的地方直接传送到所有需要它定向技术可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的功能部件编译器可利用流水线调度（编译器可利用流水线调度（scheduling）技术来重新组织指令）技术来重新组织指令顺序顺序结构冲突（结构冲突（硬件资源不够）硬件资源不够）增加额外的同类型资源增加额外的同类型资源改变资源的设计使其能被同时使用改变资源的设计使其能被同时使用控制冲突（控制冲突（分支等跳转指令引起分支等跳转指令引起 ）可采用分支预测及预测执行技术最大限度地使处理器各部分保可采用分支预测及预测执行技术最大限度地使处理器各部分保持运行状态。
44、持运行状态。多端口的寄存器堆多端口的寄存器堆哈佛结构存储器、超标量哈佛结构存储器、超标量4848微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计流水线数据冲突及乱序执行注意这里其实需要注意这里其实需要两个独立执行部件两个独立执行部件4949微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计流水线结构冲突及超标量流水线流水线结构冲突及超标量流水线？有有5个执行单元的超标量流水线个执行单元的超标量流水线有有2套硬件的套硬件的超标量流水超标量流水线线CPU 共用一个取指单元的共用一个取指单元的5段双流水线段双流水线5050微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构
45、与嵌入式系统设计2.3.4 超标量CPU的体系结构超标量技术：超标量技术：可在一个时钟周期内对多条指令进行并可在一个时钟周期内对多条指令进行并行处理，使行处理，使CPI小于小于1；特点：特点：处理器中有两个或两个以上的相同的功能部件处理器中有两个或两个以上的相同的功能部件；要求操作数之间必须没有相关性；要求操作数之间必须没有相关性；整数指令整数指令浮点指令浮点指令5151微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计超标量处理机一般概念性结构instruction fetching多个流水线读取及转移预测逻辑多个流水线读取及转移预测逻辑instruction decoding
46、并行译码器，预译码技术并行译码器，预译码技术instruction dispatching动态规划动态规划instruction execution多个流水线功能单元多个流水线功能单元instruction completion暂存结果数据暂存结果数据instruction retiring真正更新真正更新Reg和和Mem中的结果数据中的结果数据微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计 超标量结构两条输入两条输入流水线流水线三条执行三条执行流水线流水线每个时钟周期可每个时钟周期可从存储器中获取从存储器中获取两条指令两条指令用于执行不需要访用于执行不需要访问存储器的指令问
47、存储器的指令可处理所有需要或不需要可处理所有需要或不需要访问存储器的指令访问存储器的指令可用于进行乘、除类较复可用于进行乘、除类较复杂的算术运算杂的算术运算决定应使用哪一决定应使用哪一条执行流水线条执行流水线5353微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计 和超标量处理机不同，和超标量处理机不同，超长指令字超长指令字VLIW（Very Long Instruction Word）依靠编译器依靠编译器在编译时找出指令之间潜在的并行在编译时找出指令之间潜在的并行性，并通过指令调度把可能出现的数据冲突减少到最小，最后性，并通过指令调度把可能出现的数据冲突减少到最小，最后把能并
48、行执行的多条指令组装成一条很长的指令，然后由处理把能并行执行的多条指令组装成一条很长的指令，然后由处理机中多个机中多个相互独立的执行部件相互独立的执行部件分别执行长指令中的一个操作，分别执行长指令中的一个操作，即相当于同时执行多条指令。即相当于同时执行多条指令。 VLIW处理机能否成功，很大程度上取决于代码压缩的效率，其处理机能否成功，很大程度上取决于代码压缩的效率，其编译程序和体系结构编译程序和体系结构的的关系非常密切，缺乏对传关系非常密切，缺乏对传统软件和硬件的兼容，因统软件和硬件的兼容，因而不大适用一般应用领域。而不大适用一般应用领域。 VLIW处理机处理机5454微处理器系统结构与嵌入
49、式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计2.3.5 多机多机与多核结构与多核结构大规模并行处理机（大规模并行处理机（MPP）是是一种价格昂贵的超级计算机，它由许多一种价格昂贵的超级计算机，它由许多CPU通过高速专用互联网络连接。通过高速专用互联网络连接。机群（机群（cluster）由多台同构或异构的独立计算机通过高性能网络或局域由多台同构或异构的独立计算机通过高性能网络或局域网连在一起协同完成特定的并行计算任务。网连在一起协同完成特定的并行计算任务。刀片（刀片（blade）通常指包含一个或多个通常指包含一个或多个CPU、内存以及网络接口的服务、内存以及网络接口的服务器主板。通常一个刀片柜共享
50、其它外部器主板。通常一个刀片柜共享其它外部I/O和电源，而辅助存储器则有距离和电源，而辅助存储器则有距离刀片柜较近的存储服务器提供。刀片柜较近的存储服务器提供。网格（网格（Network）是一组由高速网络连接的不同的计算机系统，可以相是一组由高速网络连接的不同的计算机系统，可以相互合作也可独立工作。网格计算机将接受中央服务器分配的任务，然后在不互合作也可独立工作。网格计算机将接受中央服务器分配的任务，然后在不忙的时候（如晚上或周末）执行这些任务。忙的时候（如晚上或周末）执行这些任务。5555微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计多核处理器5656微处理器系统结构与嵌入
