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第三章第三章微处理器体系结构及关键微处理器体系结构及关键技术技术6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三章第三章微处理器体系结构及关键技术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微处理器体系结构及功能模块简介处理器的主要功能及部件处理器的主要功能及部件（掌握）（掌握） 处理器的基本功能结构处理器的基本功能结构（掌握）（掌握） 一个简化的处理器模型结构示例一个简化的处理器模型结构示例（理解）（理解） 3.2 处理器设计处理器设计（理解）（理解） 处理器的设计步骤处理
2、器的设计步骤控制器的操作与功能控制器的操作与功能随机逻辑控制器设计随机逻辑控制器设计微程序微程序(微码微码)控制器结构及设计控制器结构及设计寄存器组寄存器组(register file)设计设计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三章第三章微处理器体系结构及关键技术微处理器体系结构及关键技术3.3 指令系统设计指令系统设计（掌握）（掌握） 机器指令的组成机器指令的组成指令格式指令格式指令类型指令类型寻址方式寻址方式指令系统设计要点指令系统设计要点3.4 指令流水线技术指令流水线技术流水线技术的特点流水线技术的特点（掌握）（掌握） 流水线操作的详细说明流水线操
3、作的详细说明（掌握）（掌握） 流水线的局限性流水线的局限性（理解）（理解） 指令流水线设计指令流水线设计（理解）（理解） 3.5 典型微处理体系结构简介典型微处理体系结构简介（理解）（理解） ARM体系结构简介体系结构简介Intel x86体系结构简介体系结构简介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式系统设计1.中央处理单元中央处理单元 Central Processing Unit, CPU2.微处理器微处理器 Micro Processing Unit, MPU3.微控制单元微控制单元 Micro Control Unit, MCU4.单片机单片机5.计算机计算机单
4、单芯芯片片控制器、运算器、寄存器控制器、运算器、寄存器CPU、少量存储器及、少量存储器及I/O接口接口CPU+存储器存储器+总线总线/接口接口+外设外设几个概念几个概念yyyy-M-d4/86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3.1 微微处理器处理器体系结构体系结构及功能模块简介及功能模块简介冯冯诺依曼机诺依曼机：5大部件大部件存储程序存储程序串行单顺序串行单顺序n每一个基本指令周期每一个基本指令周期(或称取指、执行周期或称取指、执行周期)经过一经过一系列步骤执行一条指令系列步骤执行一条指令n如指令读取、指令译码、数据读取、操作执行、如指令读取、指令译码、数据读取
5、、操作执行、结果存入以及下一条指令的确定结果存入以及下一条指令的确定n一条指令接着一条指令地重复这样的基本指令周期一条指令接着一条指令地重复这样的基本指令周期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3.1 微微处理器处理器体系结构体系结构及功能模块简介及功能模块简介数据通路数据通路CPU的的RTL描述：描述：数据通路数据通路控制器控制器处理器的部件：算术逻辑运算部件处理器的部件：算术逻辑运算部件(ALU)、寄、寄存器组、内总线和控制器存器组、内总线和控制器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7 7微处理器组成微处理器组成nCPU组成组成u控制
6、器控制器u寄存器寄存器u算术和逻辑单元算术和逻辑单元u指令执行单元指令执行单元u部件间的互连机构部件间的互连机构u指令系统指令系统nCPU的的作用作用:协调并控制计算机的各个部件协调并控制计算机的各个部件并执行程序的指令序列并执行程序的指令序列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微微处理器的主要功能处理器的主要功能n计算机系统设计师认为：处理器是指一种能够经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过多个步骤执行计算计算任务的任务的数字数字设备设备n从本质上讲，处理器的作用是协调和控制计算机从本质上讲，处理器的作用是协调和控制计算机的各个部件，并的各个
7、部件，并执行程序执行程序的指令序列的指令序列n处理器的处理器的5个主要功能个主要功能:u指令控制指令控制：控制指令按程序逻辑顺序执行控制指令按程序逻辑顺序执行u操作控制操作控制：按照指令执行过程及指令约定功能的需求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产生各种操作控制信号u时时序序控制控制：能够在适当的时间能够在适当的时间(时刻时刻)使相应操作控制信使相应操作控制信号有效，并保持所需的时长号有效，并保持所需的时长u数据加工数据加工：对数据进行算术和逻辑运算处理对数据进行算术和逻辑运算处理u中断处理中断处理：程序执行过程中应能够及时处理出现的程序执行过程中应能够及时处理出现的I
8、/O操作请求及异常情况操作请求及异常情况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9 9CPUCPU的功能的功能nCPU的作用是的作用是协调和控制协调和控制计算机的计算机的各个部件并执行各个部件并执行程序程序的指令序列，具有以的指令序列，具有以下基本功能：下基本功能： 取指令取指令：当程序已在存储器中时，首先根据程序入口地：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。址取出一条程序，为此要发出指令地址及控制信号。 分析指令：分析指令：即指令译码，是指对当前取得的指令进行分即指令译码，是指对当前取得的指令进行分析，指出它要求什
9、么操作，并产生相应的操作控制命令。析，指出它要求什么操作，并产生相应的操作控制命令。 执行指令：执行指令：根据分析指令时产生的根据分析指令时产生的“操作命令操作命令”形成相形成相应的应的操作控制信号序列操作控制信号序列，通过，通过运算器、存储器及输入运算器、存储器及输入/ /输出输出设备设备的执行，实现每条指令的功能，其中包括对的执行，实现每条指令的功能，其中包括对运算结果的运算结果的处理以及下条指令地址处理以及下条指令地址的形成的形成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数据通路数据通路:ALUReg+内部总线内部总线ALU：运算：运算Reg组：暂存组：暂存内总线：
10、传输内总线：传输p 简单的单总线简单的单总线 (ALU总线总线)p 复杂的多级总复杂的多级总线线(片上总线片上总线)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数据通路数据通路n数据通路是指运算相关的部件及相关的数数据通路是指运算相关的部件及相关的数据传输路径据传输路径u算术逻辑运算部件算术逻辑运算部件ALUu寄存器组寄存器组通用寄存器组、暂存器、指令寄存器、程序计数器通用寄存器组、暂存器、指令寄存器、程序计数器、当前程序状态寄存器、地址寄存器、数据缓冲寄、当前程序状态寄存器、地址寄存器、数据缓冲寄存器存器n简单的处理器中只设置一组数据传送总线简单的处理器中只设置一组数据传
11、送总线，用来连接处理器内的寄存器和，用来连接处理器内的寄存器和ALU部件部件n较复杂的处理器可能设置几组双向数据总较复杂的处理器可能设置几组双向数据总线，同时传送多个数据线，同时传送多个数据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1212CPUCPU功能功能n能对能对指令进行译码指令进行译码并执行规定的动作并执行规定的动作n可以进行可以进行算术和逻辑运算算术和逻辑运算n能与存储器和外设能与存储器和外设交换数据交换数据n提供整个系统所需的提供整个系统所需的控制控制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控制器控制器输入输入输出输出一条运算
12、指令的读取和执行过一条运算指令的读取和执行过程可被划分为取指令、取源操程可被划分为取指令、取源操作数、取目的操作数、执行运作数、取目的操作数、执行运算操作、存放运算结果等阶段，算操作、存放运算结果等阶段，每个阶段又可以再分成若干步每个阶段又可以再分成若干步操作操作-控制器实现控制控制器实现控制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简化的处理器模型机简化的处理器模型机n控制器所需的指令、数据通路所需的数据都是从控制器所需的指令、数据通路所需的数据都是从总线上得到总线上得到n操作过程类似于上章所述操作过程类似于上章所述1414微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结
13、构与嵌入式系统设计字长字长8 8位，位，4 4种指令格式的模型机结构种指令格式的模型机结构1515n内存地址寄存器内存地址寄存器n内存数据寄存器内存数据寄存器n通用寄存器通用寄存器n累加寄存器累加寄存器n程序计数器程序计数器n指令寄存器指令寄存器n多路选择器多路选择器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简化的处理器模型简化的处理器模型哈佛结构哈佛结构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CPU与内存储器的接口与内存储器的接口1.对外形成对外形成三总线三总线形式；形式；2.寄存器寄存器MAR和和MDR简化了简化了CPU与主存之间的传送与主存之
14、间的传送通路通路，使其，使其容易控制容易控制;3.寄存器寄存器MAR和和MDR对用户对用户透明透明,即即不能编程访问不能编程访问；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3.2微处理器设计微处理器设计n数据通道数据通道1.组成：组成：ALU+寄存器寄存器+内部总线内部总线2.功能：功能：基本的二进制算术、逻辑及移位运算；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（进根据运算结果设置状态标志（进/借位、溢出等）；借位、溢出等）； 3.特性：特性：数据通路宽度数据通路宽度：即字长，即字长，CPU单次传送和处理数据的能力。单次传送和处理数据的能力。数据通路周
15、期数据通路周期：ALU运算并将保存结果的过程。运算并将保存结果的过程。n控制单元（控制器）控制单元（控制器）1.时序控制部件：时序控制部件：指令周期、工作周期、时钟周期指令周期、工作周期、时钟周期(工作脉冲工作脉冲)2.指令译码逻辑：指令译码逻辑：微程序（微程序（CISC ）、硬连逻辑（）、硬连逻辑（RISC ） 、微处理微处理器的总器的总体结构体结构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集结构指令集结构(ISA)是体系是体系结构的主要内容之一，其功结构的主要内容之一，其功能设计实际就是确定软硬件能设计实际就是确定软硬件的功能分配。的功能分配。n考虑因素考虑因素
16、速度、成本和灵活性速度、成本和灵活性n实现方式实现方式 硬件、软件硬件、软件 n优化策略优化策略 RISC、CISC；流水线；多核；流水线；多核；n实现内容实现内容 数据类型数据类型、指令功能指令功能、指令格式指令格式、寻址方式寻址方式n实现步骤实现步骤u根据应用初拟出指令的分类和具体的指令；根据应用初拟出指令的分类和具体的指令；u编写出针对该指令系统的各种高级语言编译程序；编写出针对该指令系统的各种高级语言编译程序；u对多种算法程序进行模拟测试，确认指令系统的操作码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；和寻址方式的效能是否都比较高；u用硬件实现高频使用
17、的指令，软件实现低频使用指令。用硬件实现高频使用的指令，软件实现低频使用指令。指令系统设计指令系统设计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3.2.1 3.2.1 处理器的设计步骤处理器的设计步骤n综合考虑指令系统、总体结构、时序系统综合考虑指令系统、总体结构、时序系统等等n拟定指令系统拟定指令系统2020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3.2.1 3.2.1 处理器的设计步骤处理器的设计步骤n确定总体结构确定总体结构n安排时序安排时序n拟定指令流程和微命令序列拟定指令流程和微命令序列n形成控制逻辑形成控制逻辑u组合逻辑控制方式中，将产
18、生微命令的条件进组合逻辑控制方式中，将产生微命令的条件进行综合、化简，形成逻辑式，从而构成控制器行综合、化简，形成逻辑式，从而构成控制器的核心逻辑电路。的核心逻辑电路。u在微程序控制方式中，则是根据微命令代码来在微程序控制方式中，则是根据微命令代码来编写微指令，组成微程序，从而构成以控制存编写微指令，组成微程序，从而构成以控制存储器为核心的控制逻储器为核心的控制逻2121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3.2.2 3.2.2 控制器的操作与功能控制器的操作与功能n微操作微操作2222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23231 1指
19、令系统结构指令系统结构n指令字由几个字段组成 n操作码操作码字段规定了计算机指令系统中由字段规定了计算机指令系统中由CPU实现的操作实现的操作n操作数操作数是执行指令时需要的数据或寻找数是执行指令时需要的数据或寻找数据的方式据的方式n单个处理器的单个处理器的所有指令所有指令构成构成指令集指令集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24242 2随机逻辑体系结构随机逻辑体系结构n在随机逻辑体系结构中，在随机逻辑体系结构中，用布尔逻辑函数来表示控制单元的输入和输出之间的关系，每一个控制，每一个控制信号在布尔逻辑中用一个逻辑符号表示信号在布尔逻辑中用一个逻辑符号表示n设计步
20、骤：u使用指令集结构驱动硬件的使用指令集结构驱动硬件的逻辑方程逻辑方程首先首先定义所需的指令集定义所需的指令集结构，结构，根据指令集结构决定根据指令集结构决定硬件的逻辑方程及有限状态机硬件的逻辑方程及有限状态机的逻辑的逻辑u硬件的逻辑方程再硬件的逻辑方程再反馈反馈到指令集结构到指令集结构为简化具体实现所需的硬件逻辑，对指令集结构做必要的为简化具体实现所需的硬件逻辑，对指令集结构做必要的修改修改和优化和优化，达到最大限度地减少逻辑复杂度的目的，达到最大限度地减少逻辑复杂度的目的n由于指令集与硬件逻辑之间关系密切，设计过程由于指令集与硬件逻辑之间关系密切，设计过程复杂，难以用于其他款的处理器，复杂
21、，难以用于其他款的处理器，重用性差重用性差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2525随机逻辑体系结构随机逻辑体系结构 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2626随机逻辑体系结构的特点随机逻辑体系结构的特点n优点：u使用的使用的门电路总数少门电路总数少u从而减少制造费用从而减少制造费用n缺点：u指令集结构与硬件逻辑方程之间存在着密切联系，指令集结构与硬件逻辑方程之间存在着密切联系，设计过程复杂设计过程复杂u重用性差重用性差设计成果很少能再利用到以后的新设计成果很少能再利用到以后的新CPU设计中设计中u指令集优化困难指令集优化困难u仅用于
22、较简单的指令集结构仅用于较简单的指令集结构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27273 3微码微码(Microcode)(Microcode)体系结构体系结构n在微码在微码(微指令微指令)结构中，控制单元的结构中，控制单元的输入和输入和输出输出之间的关系被视为一个之间的关系被视为一个存储系统，存储系统，相相当于把当于把控制信号存储控制信号存储起来起来n控制信号控制信号存放在一个微程序内存里。在指存放在一个微程序内存里。在指令令执行过程执行过程中的每一个时钟周期，从微程中的每一个时钟周期，从微程序内存里序内存里读取一个读取一个(微微)控制字控制字作为指令执行作为指令
23、执行的控制信号的控制信号n微码微码设计思想设计思想u用用软件方法控制数据软件方法控制数据信息信息传送传送，达到硬件实现，达到硬件实现u微程序微程序顺序产生顺序产生单条指令执行所需的单条指令执行所需的全部控制全部控制信号信号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2828微码结构的工作原理微码结构的工作原理n在微码体系结构中，其在微码体系结构中，其CPU的指令系统可的指令系统可以以不直接用硬件逻辑电路不直接用硬件逻辑电路实现，而是通过实现，而是通过执行微代码执行微代码程序来实现程序来实现n微码微码结构由如下两部分结构由如下两部分组成组成：u微码控制器微码控制器：小型的：小
24、型的高速控制器高速控制器u微代码微代码：在微码控制器中运行的：在微码控制器中运行的微指令和软件微指令和软件n设计微码体系结构的设计微码体系结构的主要目的主要目的是：是：u当设计新的微码体系结构时能够当设计新的微码体系结构时能够减少重复设计减少重复设计的费用，增强的费用，增强CPU的性能的性能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2929指令、微程序、微指令指令、微程序、微指令( (微码微码) )n微指令微指令：在一个时间单位（节拍）内出现的一组：在一个时间单位（节拍）内出现的一组微操作微操作描述的语句描述的语句n微程序微程序：一组：一组微指令系列微指令系列n通过通过一
25、组微指令一组微指令产生的产生的控制信号控制信号，使一条指令中，使一条指令中的的所有微操作所有微操作得以实现，即实现得以实现，即实现一条指令一条指令的功能的功能T1：微操作：微操作1(命令命令1，命令，命令2，) 微操作微操作2(命令命令1，命令，命令2) Ti：微操作：微操作j(命令命令1，命令，命令2，) 微指令微指令i Tm：微操作：微操作n(命令命令1，命令，命令2，) 微指令微指令m微指令微指令1一条机器指令一条机器指令 一个微程序一个微程序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3030微码结构微码结构Memory(RAM)Datapathmcontrolle
26、r(ROM)AddrDatazero?busy?opcodeM使能写使能存储微码指令存储微码指令 微码组成的指令构成微码组成的指令构成的用户程序的用户程序 ( (如如 MIPS, x86MIPS, x86等等) )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3131微码机器包括：数据通路和控制流两个主要部分微码机器包括：数据通路和控制流两个主要部分 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3232微指令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3333微程序控制器的一般结构微程序控制器的一般结构微处理器系统结构与嵌入式系统设计微
27、处理器系统结构与嵌入式系统设计3434微码结构优缺点微码结构优缺点n优点：优点：u高度抽象存储结构，不是硬件电路高度抽象存储结构，不是硬件电路u不易出错不易出错u易于修改，更新设计快易于修改，更新设计快n缺点：缺点：u微码的硬件电路开销大微码的硬件电路开销大u微控制器的运行速度高微控制器的运行速度高u指令开箱依赖于微指令系统指令开箱依赖于微指令系统 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指令集设计示例指令集设计示例假设某机器的字长是假设某机器的字长是8位位，支持常见的简单指令支持常见的简单指令：指令是指令是双地址指令双地址指令，源操作数采用，源操作数采用2种寻址方式种
28、寻址方式寄寄存器寻址存器寻址(R0R3)和立即寻址和立即寻址；目标操作数可采用；目标操作数可采用2种寻址方式种寻址方式寄存器寻址和存储器直接寄存器寻址和存储器直接。请为下述九。请为下述九条机器指令设计可行的代码方案。条机器指令设计可行的代码方案。若采用定长编码（若采用定长编码（8bit）方案，可定义指令格式如下：）方案，可定义指令格式如下：76543210=0000=0000表示表示ADDADD=0001=0001表示表示SUBSUB=0010=0010表示表示MOVMOV=0011=0011表示表示ININ=0100=0100表示表示OUTOUT=0101=0101表示表示RRRR目的操作数
29、寻址方式：目的操作数寻址方式：0 0直直接寻址接寻址 1 1寄存器寻址寄存器寻址目标寄存目标寄存器编号器编号源操作数寻址方式：源操作数寻址方式：0 0立立即寻址即寻址 1 1寄存器寻址寄存器寻址源寄存器源寄存器编号编号操操 作作 码码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机器指令集机器指令集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机器指令符号表示法机器指令符号表示法 由于直接与机器指令二进制表示法打交道由于直接与机器指令二进制表示法打交道很困难，于是普遍使用的是机器指令符号表很困难，于是普遍使用的是机器指令符号表示法示法(symbol repr
30、esentation)。操作码可缩写成操作码可缩写成助记符助记符(mnemonic)来表示来表示ADD加加SUB减减MUL乘乘DIV除除LOAD 由存储器装入由存储器装入STOR 存入存储器存入存储器yyyy-M-d汇编语言汇编语言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数据类型数据类型n确认某种特殊类型的数据是否应该得到硬件支确认某种特殊类型的数据是否应该得到硬件支持持 数值型数据：无符号整数、带符号整数、浮点数数值型数据：无符号整数、带符号整数、浮点数 非数值数据：字符串非数值数据：字符串n确认字长（对数据长度的限制）确认字长（对数据长度的限制） 截断（截断（tru
31、ncation）或溢出（）或溢出（overflow）在选择数据格式和长度时需要平衡数值范围、程序在选择数据格式和长度时需要平衡数值范围、程序执行期间发生溢出的可能性、处理设备和存储执行期间发生溢出的可能性、处理设备和存储设备的复杂性、以及价格和速度等因素。设备的复杂性、以及价格和速度等因素。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类型指令类型指令按功能可分成以下三种基本类型：指令按功能可分成以下三种基本类型：1. 数据传输：数据传输：将数据从一个地方（源地址）复制到另一个将数据从一个地方（源地址）复制到另一个 地方（目的地址），传输结束后源地址中的内容不变。地方（目
32、的地址），传输结束后源地址中的内容不变。u 数据传送范围数据传送范围： R-R、R-M、M-R或或M-Mu 数据传送宽度数据传送宽度：一般：一般为固定值（如为固定值（如8、16或或32bit），其），其它宽度的数据传送它宽度的数据传送一般可一般可通过软件移位和合通过软件移位和合并操作来实现。并操作来实现。2.数据运算：数据运算：包括包括算术运算（加、减、乘、除等）和逻算术运算（加、减、乘、除等）和逻辑辑 运算（与、或、非、异或等）运算（与、或、非、异或等）。 该类指令该类指令需要明确操作数的类型和长度需要明确操作数的类型和长度。3.控制类：控制类：用于改变正常的程序执行流程，完成程序的跳用于改
33、变正常的程序执行流程，完成程序的跳转转，主要包括转移指令和过程指令。主要包括转移指令和过程指令。I/O？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机器指令要素机器指令要素操作码操作码(operation code，opcode)：需要完成的操作；：需要完成的操作；源操作数源操作数 (source operand reference)：操作所需的输入；：操作所需的输入；结果操作数结果操作数 (result operand reference)：操作产生的结果；：操作产生的结果；下一条指令下一条指令 (next instruction reference)：告诉：告诉CPU到
34、哪里到哪里取下一条指令。取下一条指令。 yyyy-M-d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格式指令格式 在计算机内部，指令由一个位串来表示。相应于指令在计算机内部，指令由一个位串来表示。相应于指令的各要素，这些位串划分成几个的各要素，这些位串划分成几个字段字段：u操作码字段操作码字段：说明说明CPU应进行的操作应进行的操作按操作类型分组按操作类型分组：同同类类操作要求同样或类似的控制信号，因操作要求同样或类似的控制信号，因此编此编码也类似（码也类似（有尽可能多的公共位有尽可能多的公共位）u操作数字段操作数字段/地址字段地址字段：说明源操作数和目的操作数存放的位
35、置信息说明源操作数和目的操作数存放的位置信息(R、M或或I/O);说明源操作数和目的操作数的数据类型说明源操作数和目的操作数的数据类型;u下一条指令地址字段下一条指令地址字段： 如紧跟当前指令，在主存或虚存中，则不需显示引用；如紧跟当前指令，在主存或虚存中，则不需显示引用； 如可能产生跳转，则需要显示给出存储地址；如可能产生跳转，则需要显示给出存储地址；指令类型决定了指令类型决定了CPUCPU的软件功能特性的软件功能特性寻址方式决定了寻址方式决定了CPUCPU硬件功能特性硬件功能特性41/86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操作码字段操作码字段常见指令字段分配常
36、见指令字段分配操作码位段分配操作码位段分配扩展操作码扩展操作码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操作数字段操作数字段 二元操作二元操作(binary operation)是一种基本操是一种基本操作类型，这样的指令通常包含作类型，这样的指令通常包含三个操作数地址三个操作数地址：两个源操作数和一个目的两个源操作数和一个目的(结果结果)操作数。为了缩操作数。为了缩短指令长度，可以采用以下方法：短指令长度，可以采用以下方法：只有一个地址指定给存储器中的操作数，而只有一个地址指定给存储器中的操作数，而其余地址都指定给其余地址都指定给寄存器寄存器，可以在指令格式中明，可以在指
37、令格式中明确地指定其寄存器号。确地指定其寄存器号。二二把一个、两个或三个操作数的地址在指令格把一个、两个或三个操作数的地址在指令格式中变成式中变成隐含隐含的地址。隐含的地址可以指定给专的地址。隐含的地址可以指定给专用寄存器，而这些寄存器的名字隐含在指令格式用寄存器，而这些寄存器的名字隐含在指令格式的操作码中。的操作码中。yyyy-M-d43/86机器指令结构机器指令结构：M-M、M-R、R-R机器指令结构机器指令结构：零地址零地址、单、单地址、地址、双双地址地址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寻址方式寻址方式操作数实际存放位置：操作数实际存放位置：寻址方式：寻址
38、方式：1在指令码中指定操作数：在指令码中指定操作数：立即数寻址立即数寻址2在寄存器中指定操作数：在寄存器中指定操作数：寄存器（直接）寻址寄存器（直接）寻址3在存储器中指定操作数：在存储器中指定操作数：存储器直接寻址存储器直接寻址、存储器间接寻址存储器间接寻址4在汇编程序中指定操作数：在汇编程序中指定操作数： 相对寻址相对寻址5操作数在操作数在I/O接口中：接口中： 存储器寻址（存储器映像编址）或端口寻址（独立编址）存储器寻址（存储器映像编址）或端口寻址（独立编址）ABDB控控制制器器运运算算器器寄寄存存器器CPU存存储储器器00000HFFFFFHI/O接接口口0000HFFFFHI/O外外设
39、设CB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立即数寻址立即数寻址immediate addressing modeimmediate addressing mode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寄存器直接寻址方式寄存器直接寻址方式register direct addressing moderegister direct addressing mode 指令的地址字段给指令的地址字段给出出寄存器号（名）寄存器号（名） ，而被指定的寄存器的内而被指定的寄存器的内容就是操作数。容就是操作数。 微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结
40、构与嵌入式系统设计存储器直接寻址存储器直接寻址memory direct addressing modememory direct addressing mode指令的地址字段指令的地址字段直接给定一个直接给定一个立即数立即数作为存储单元的作为存储单元的地址地址。寄存器直接寻址寄存器直接寻址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存储器间接寻址存储器间接寻址memory indirect addressing modememory indirect addressing mode(1) 寄存器间接寻址方式寄存器间接寻址方式(2) 存储器间接寻址方式存储器间接寻址方式(3
41、) 位移量寻址方式位移量寻址方式(4) 变址寻址方式变址寻址方式(5) 比例尺寻址方式比例尺寻址方式用于加强编写与位置无关的汇编语言程序用于加强编写与位置无关的汇编语言程序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寄存器间接寻址方式寄存器间接寻址方式register indirect addressing moderegister indirect addressing mode 将存储器地址指定在将存储器地址指定在寄存器中，即让寄存器中，即让寄存寄存器内容指向器内容指向一个可访一个可访问到操作数的存储器问到操作数的存储器单元。单元。yyyy-M-d49/86微处理器系统
42、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存储器间接寻址方式存储器间接寻址方式 memory indirect addressing modememory indirect addressing mode 多级多级间接寻址；间接寻址； 通常用于访问存储器中通常用于访问存储器中的的“跳转表跳转表”：跳转表首址：跳转表首址指定在指定在寄存器寄存器中，该表中的中，该表中的每个表项指向一个可访问到每个表项指向一个可访问到操作数的存储器单元。操作数的存储器单元。跳转表跳转表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位移量寻址方式位移量寻址方式displacement ad
43、dressing modedisplacement addressing mode 通常用于数组、通常用于数组、矩阵类向量数据的矩阵类向量数据的存取：存取：寄存器寄存器值指值指定数组首址，定数组首址，立即立即数数指定组内偏移；指定组内偏移；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数寻址方式指数寻址方式indexed addressing modeindexed addressing mode 通常用于数组、通常用于数组、矩阵类向量数据的矩阵类向量数据的存取：存取：寄存器寄存器1值指值指定数组首址，定数组首址，寄存寄存器器2指定组内偏移；指定组内偏移；微处理器系统结构与
44、嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计比例尺寻址方式比例尺寻址方式scaled addressing modescaled addressing mode用字节表示的操用字节表示的操作数的长度作数的长度位移量寻址位移量寻址+指数寻址指数寻址+自增自增/自减寻址自减寻址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PCPC相对寻址方式相对寻址方式Program Counter-related addressing modeProgram Counter-related addressing mode 主要用在主要用在转移和跳转转移和跳转指令，指定汇编语言程指令，指定汇编
45、语言程序码的内部位置作为序码的内部位置作为目的地址偏移量目的地址偏移量操作数。操作数。指令：指令：JUMP JUMP abeabe 操作：操作： PC PC abeabe = (PC)updated + = (PC)updated +immSign_extimmSign_ext当前指令取出当前指令取出后的后的PCPC值值出现在指令中出现在指令中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5555控制单元模型控制单元模型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5656CPUCPU内部结构内部结构nCPU包括包括算术和逻辑单元、累加器、程序计数器、算术和
46、逻辑单元、累加器、程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序和控制部件指令寄存器、指令译码器、时序和控制部件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5757MIPSMIPS的总线型数据通道的总线型数据通道微指令: 寄存器到寄存器的传送 (17 个控制信号) MA PC means RegSel = PC; enReg=yes; ldMA= yesB Regrt meansenMemMAaddrdataldMAMemorybusyMemWrtBus32zero? A BOpSelldAldBALUenALUALUcontrol2RegWrtenRegaddrdatarsrt
47、rd32(PC)31(Link)RegSel32 GPRs+ PC .32-bit Reg3rsrtrdExtSelIROpcodeldIRImmExtenImm2RegSel = rt; enReg=yes; ldB = yes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58583.1.2 3.1.2 微处理器体系结构简介微处理器体系结构简介n在设计计算机体系结构时，要考虑：在设计计算机体系结构时，要考虑：uCPU采用采用何种指令系统何种指令系统？u该计算机体系的该计算机体系的价格及性能之比价格及性能之比如何？如何？u这种计算机体系有销售市场吗？这种计算机体系有销售市场吗
48、？n指令系统指令系统u指令格式指令格式u寻址方式寻址方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5959处理器结构处理器结构n按照指令执行的按照指令执行的串行串行/并行及电路结构并行及电路结构不同不同划分，处理器结构分为划分，处理器结构分为六种六种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6060流水线结构流水线结构n成功设计的流水线机器会要求在它的指令成功设计的流水线机器会要求在它的指令集设计及硬件设计之间达到一种平衡，因集设计及硬件设计之间达到一种平衡，因此设计流水线机器是一项比较困难的工作。此设计流水线机器是一项比较困难的工作。n此外，当流水
49、线在并行地执行指令时，正此外，当流水线在并行地执行指令时，正执行的指令之间可能发生多种冲突执行的指令之间可能发生多种冲突(hazard)情况，所以在设计流水线机器时要预先考情况，所以在设计流水线机器时要预先考虑到可能的冲突，并且设法在设计时加以虑到可能的冲突，并且设法在设计时加以解决。解决。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6161指令的顺序执行和流水线执行指令的顺序执行和流水线执行 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6262流水线技术流水线技术 n理想流水线的性能：达到每一个时钟周期可以完成一条理想流水线的性能：达到每一个时钟周期可
50、以完成一条指令指令n与指令串行执行相比较，速度提高与指令串行执行相比较，速度提高5倍倍 流水线是一种多条指令重叠执行的实现技术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63633.2 3.2 指令系统设计指令系统设计n指令指令是规定是规定微处理器进行操作微处理器进行操作的命令，不的命令，不同类型的处理器具有同类型的处理器具有不同的指令系统不同的指令系统n指令系统设计指令系统设计是是中央处理器设计中央处理器设计的基础，的基础，CPU的操作由其执行的指令来确定的操作由其执行的指令来确定n指令字由指令字由操作码、操作数和操作数地址操作码、操作数和操作数地址等等字段组成字段组成n
