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1、上午12時(shí)15分,1,課程號(hào)碼: EE202-014教學(xué)年級(jí): 二年級(jí)授課教師: 趙忠華 上課教室: 東上院405,嵌入式系統(tǒng)原理與實(shí)驗(yàn),上午12時(shí)15分,2/60,第二章 CPU與指令系統(tǒng),2.1 CPU基本概念 2.2 指令的執(zhí)行過程 2.3 指令的流水執(zhí)行 2.4 指令系統(tǒng),上午12時(shí)15分,3/60,2.1 CPU基本概念,CPU的基本功能 指令控制 操作控制 數(shù)據(jù)運(yùn)算 異常和中斷處理,CPU的擴(kuò)展功能 存儲(chǔ)管理 數(shù)據(jù)緩存 總線管理 功耗管理,上午12時(shí)15分,4/60,CPU的基本構(gòu)成： 控制器，運(yùn)算器，寄存器 cache、MMU 寄存器：用于（臨時(shí)）存放各種信息。 指令寄存器（IR

2、）：存放當(dāng)前執(zhí)行的指令，為指令譯碼器提供指 令信息。 程序計(jì)數(shù)器（PC）：存放指令的地址，從存儲(chǔ)器取指令時(shí)根據(jù)PC 值進(jìn)行。 數(shù)據(jù)寄存器（DR）：存放操作數(shù)和運(yùn)算結(jié)果，以減少訪問存儲(chǔ)器 的次數(shù)。 地址寄存器（AR）：存放操作數(shù)的地址。 狀態(tài)寄存器（SR）：存儲(chǔ)運(yùn)算中的狀態(tài)，作為控制程序的條件。 數(shù)據(jù)通路：寄存器與ALU之間傳遞信息的線路。通常有2 種建立方法： 用數(shù)據(jù)總線（單總線，雙總線，多總線） 用專用通路（如MIPS）,2.1 CPU基本概念,上午12時(shí)15分,5/60,數(shù)據(jù)總線結(jié)構(gòu),在各寄存器以及ALU之間建立一條或幾條公共的數(shù)據(jù)總線，寄存器間的數(shù)據(jù)傳輸通過這些總線完成。 一條總線

3、可以連接多個(gè)部件，總線連接方式可以減少線路的數(shù)量。 總線上可以有多個(gè)部件同時(shí)接收數(shù)據(jù)，但任一時(shí)刻只能有一個(gè)部件向同一條總線發(fā)送數(shù)據(jù)。 常用的是單總線結(jié)構(gòu)，即數(shù)據(jù)通路只用一條總線構(gòu)成，一次傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)。,上午12時(shí)15分,6/60,周期概念,指令周期: 從一條指令的啟動(dòng)到下一條指令的啟動(dòng)的時(shí)間間隔。 機(jī)器周期: 指令周期中包含若干個(gè)基本操作步驟，如訪問存儲(chǔ)器和運(yùn)算等。每個(gè)基本操作的時(shí)間稱為機(jī)器周期。 機(jī)器周期基本上是根據(jù)存儲(chǔ)器的速度及ALU執(zhí)行周期的基本時(shí)間確定的。 時(shí)鐘周期: 是計(jì)算機(jī)時(shí)鐘主頻的周期。 一個(gè)機(jī)器周期可以包含若干個(gè)時(shí)鐘周期。,上午12時(shí)15分,7/60,采用單總線結(jié)構(gòu)： 如ADD

4、 R3, R1, R2 (1) PCMAR (2) PC+1PC,PC,,,,MAR,,一、運(yùn)算指令的執(zhí)行過程,2.2 指令的執(zhí)行過程,上午12時(shí)15分,8/60,單總線結(jié)構(gòu)： 如ADD R3, R1, R2 (1) PCMAR (2) PC+1PC (3) DBUSMDR (4) MDRIR,,MDR,,,,IR,,指令譯碼器,,,,,一、運(yùn)算指令的執(zhí)行過程,2.2 指令的執(zhí)行過程,上午12時(shí)15分,9/60,單總線結(jié)構(gòu)： 如ADD R3, R1, R2 (1) PCMAR (2) PC+1PC (3) DBUSMDR (4) MDRIR (5) R1Y,R1,,,,Y,,一、運(yùn)算指令的執(zhí)行

5、過程,2.2 指令的執(zhí)行過程,上午12時(shí)15分,10/60,單總線結(jié)構(gòu)： 如ADD R3, R1, R2 (1) PCMAR (2) PC+1PC (3) DBUSMDR (4) MDRIR (5) R1Y (6) R2 + YZ,R2,,,,,Z,,,一、運(yùn)算指令的執(zhí)行過程,2.2 指令的執(zhí)行過程,,上午12時(shí)15分,11/60,單總線結(jié)構(gòu)： 如ADD R3, R1, R2 (1) PCMAR (2) PC+1PC (3) DBUSMDR (4) MDRIR (5) R1Y (6) R2 + YZ (7) ZR3,,,,R3,狀態(tài)寄存器,一、運(yùn)算指令的執(zhí)行過程,2.2 指令的執(zhí)行過程,上午1

6、2時(shí)15分,12/60,流水技術(shù)用于提高指令的執(zhí)行速度和數(shù)據(jù)運(yùn)算速度。 流水工作方式: 將一個(gè)計(jì)算任務(wù)細(xì)分成若干個(gè)子任務(wù) 每個(gè)子任務(wù)由專門的部件處理 多個(gè)計(jì)算任務(wù)依次進(jìn)行并行處理,流水周期,2.3 指令的流水執(zhí)行,上午12時(shí)15分,13/60,計(jì)算機(jī)流水線中的計(jì)算任務(wù)可以是一個(gè)算術(shù)邏輯運(yùn)算操作，也可以是一條指令的執(zhí)行。 指令級(jí)流水線是把一條指令的執(zhí)行過程分成多個(gè)子過程，由各個(gè)部件進(jìn)行輪流處理后完成執(zhí)行過程。 不必等到上一條指令的完成就可以開始下一條指令的執(zhí)行。 指令的流水線在高性能的微處理器中被普遍采用。,2.3 指令的流水執(zhí)行,上午12時(shí)15分,14/60,指令的流水線,指令流水線由一系列串

7、聯(lián)的流水段組成。 每個(gè)流水段完成指令執(zhí)行的一個(gè)操作步驟。 各個(gè)流水段之間設(shè)有緩沖寄存器（流水寄存器），以暫時(shí)保存上一個(gè)流水段對(duì)指令處理的結(jié)果。 流水線中的每個(gè)流水段構(gòu)成流水線的一級(jí)。 在專用通路結(jié)構(gòu)的CPU中，通常采用5個(gè)流水段 （5級(jí)流水） 取指（IF）--Instruction Fetch 譯碼（ID）--Instruction Decode 運(yùn)算執(zhí)行（EX）--Execute 訪存（MEM）--Memory 寫回（WB）--Write Back,上午12時(shí)15分,15/60,吞吐率(throughput) 衡量指令流水線的一個(gè)重要指標(biāo)。 單位時(shí)間內(nèi)流水線能處理的任務(wù)數(shù)量 與流水的節(jié)拍時(shí)間

8、（流水周期）有關(guān)。 流水周期可定為各流水段處理時(shí)間的最大值，加上流水寄存器的延遲時(shí)間。 指令流水節(jié)拍：是指令從一個(gè)流水段進(jìn)入下一個(gè)流水段的間隔時(shí)間，又稱為流水周期 加速比 流水方式的工作速度與等效的順序工作方式時(shí)間的比值,流水線的性能,上午12時(shí)15分,16/60,時(shí)空?qǐng)D-根據(jù)流水段來畫,5級(jí)流水線在執(zhí)行8條指令時(shí)：,建立時(shí)間：從第一條指令進(jìn)入流水線到離開流水線的時(shí)間。 排空時(shí)間：從最后一條指令進(jìn)入流水線到離開流水線的時(shí)間。,無流水時(shí)：5個(gè)時(shí)間節(jié)拍處理1條指令。 有流水時(shí)：12個(gè)時(shí)間節(jié)拍處理了8條指令,上午12時(shí)15分,17/60,由時(shí)空?qǐng)D可見： 對(duì)進(jìn)入流水線的每條指令，其執(zhí)行時(shí)間都沒有縮短。

9、 指令流水通過指令之間的重疊來提高吞吐率。 在流水線中，當(dāng)任務(wù)飽滿時(shí)，任務(wù)源源不斷地輸入流水線，不論有多少個(gè)流水段，每隔一個(gè)流水周期都能輸出一個(gè)任務(wù)。 在宏觀上提高了處理速率。,流水線的作用,上午12時(shí)15分,18/60,便于分析指令之間的關(guān)系,,時(shí)空?qǐng)D-根據(jù)指令序列來畫,上午12時(shí)15分,19/60,1. 資源相關(guān)（結(jié)構(gòu)相關(guān)）: 流水執(zhí)行的多條指令同時(shí)使用同一個(gè)部件； 由于硬件資源不夠造成的，與硬件結(jié)構(gòu)有關(guān)。 2. 數(shù)據(jù)相關(guān):流水線中指令之間的數(shù)據(jù)依賴關(guān) 流水執(zhí)行的多條指令訪問相同的數(shù)據(jù)，使得相關(guān)的指令不能并行地執(zhí)行； RAW(寫后讀)、WAR(讀后寫)、WAW(寫后寫)。 3. 控制相關(guān)

10、轉(zhuǎn)移指令引起的相關(guān) 在指令執(zhí)行完成之前，無法確定那一條指令是后繼指令，使得后繼指令不能進(jìn)入流水線。,指令流水線的相關(guān)性,上午12時(shí)15分,20/60,,Addd: 雙精度加法指令 F2: 浮點(diǎn)數(shù)寄存器,指令流水線的資源相關(guān),上午12時(shí)15分,21/60,寫后讀（RAW）,指令流水線的資源相關(guān),上午12時(shí)15分,22/60,停頓（硬件措施） 編譯檢測（軟件措施） 相關(guān)專用通路（硬件措施）,消除數(shù)據(jù)相關(guān)影響的方法,上午12時(shí)15分,23/60,流水線的停頓：停頓N個(gè)節(jié)拍,解決數(shù)據(jù)相關(guān)性的方法,上午12時(shí)15分,24/60,編譯檢測：加入空操作（NOP）,解決數(shù)據(jù)相關(guān)性的方法,上午12時(shí)15分,2

11、5/60,相關(guān)專用通道 在ALU的輸出端到它的輸入端之間設(shè)置一條數(shù)據(jù)線路，使得RAW相關(guān)時(shí)，上一條指令的結(jié)果能直接送到ALU的輸入端。 使得下一條指令能夠及時(shí)得到上一條指令的結(jié)果，而不用到寄存器中去讀取，從而避免了流水線的停頓。,解決數(shù)據(jù)相關(guān)性的方法,上午12時(shí)15分,26/60,流水線分為IF、ID、EX、MEM、WB五個(gè)等長的時(shí)間階段 轉(zhuǎn)移指令在第二個(gè)階段被識(shí)別 從而可確定如何取下一條指令 沒有相關(guān)專用通路 一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)只能啟動(dòng)執(zhí)行一條指令 一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)只能寫回一條指令 讀操作數(shù)從指令譯碼時(shí)開始 讀到為止,典型指令流水線的特點(diǎn),上午12時(shí)15分,27/60,指令格式和指令編碼 指令和數(shù)

12、據(jù)的尋址方式 指令系統(tǒng)分類,2.4 指令系統(tǒng),上午12時(shí)15分,28/60,指令格式 instruction format 操作碼，地址碼,條件碼,下一條指令的地址 一、操作碼 opcode 固定長度操作碼：便于譯碼，擴(kuò)展性差 可變長度操作碼：能縮短指令平均長度 二、地址碼 addressing code 零地址指令，如NOP, CLR 一地址指令，如INC R1 二地址指令，如ADD R1, R2 三地址指令，如ADD R1, R2, R3,指令格式和指令編碼,上午12時(shí)15分,29/60,三、指令長度 固定長度：取指快、譯碼簡單。 單字長、雙字長、多字長 可變長度：可提高編碼效率 四、指

13、令助記符 助記符 mnemonics 如add R1 偽指令 directive 累加器 accumulator 存放操作數(shù)和操作結(jié)果的一個(gè)寄存器 通用寄存器 general purpose register 存放操作數(shù)和操作結(jié)果的一組寄存器,指令格式和指令編碼,上午12時(shí)15分,30/60,存儲(chǔ)器中既存儲(chǔ)指令，又存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。 在存儲(chǔ)器中尋找指令或數(shù)據(jù)的方法有多種： 按地址尋找 按內(nèi)容尋找 按順序?qū)ふ?在絕大多數(shù)計(jì)算機(jī)中都采用按地址尋找的方式，指令或數(shù)據(jù)的尋找問題變成了構(gòu)成其地址的問題 在按地址尋找存儲(chǔ)內(nèi)容的計(jì)算機(jī)中，對(duì)指令的地址碼進(jìn)行編碼，以形成操作數(shù)，尋找操作數(shù)在寄存器或存儲(chǔ)器中地址的方式稱

14、為尋址方式。,指令和數(shù)據(jù)的尋址方式,上午12時(shí)15分,31/60,1. 數(shù)據(jù)類型 數(shù)值型 整型 字節(jié)、字、雙字 浮點(diǎn)數(shù) 單精度、雙精度 字符型 ASCII,數(shù)據(jù)類型在指令中的表達(dá) 操作碼表達(dá) 地址碼表達(dá) 數(shù)據(jù)編碼表達(dá),指令和數(shù)據(jù)的尋址方式,上午12時(shí)15分,32/60,2. 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)字節(jié)順序(Endianness) 大數(shù)端(Big Endian) 最低字節(jié)存儲(chǔ)在高地址 小數(shù)端(Little Endian) 最低字節(jié)存儲(chǔ)在低地址 例:數(shù)據(jù)000F4240:,指令和數(shù)據(jù)的尋址方式,上午12時(shí)15分,33/60,3. 數(shù)據(jù)對(duì)齊方式(Alignment),,,數(shù)據(jù)類型及其存儲(chǔ)方式,指數(shù)據(jù)的邏輯存儲(chǔ)位置

15、與物理訪問位置的對(duì)齊方式,上午12時(shí)15分,34/60,指令的尋址方式 順序執(zhí)行 程序計(jì)數(shù)器(PC)尋址 非順序執(zhí)行 轉(zhuǎn)移指令 如: jump $1000 bgt R1,,指令2,PC,,指令3,指令1,指令和數(shù)據(jù)的尋址方式,上午12時(shí)15分,35/60,addressing modes,1. 隱含方式 如: “ADD ADR”中的累加器 2. 立即數(shù)方式 如: INT #3 3. 寄存器方式 如: INC R1,,,,,操作數(shù),R1,操作數(shù)尋址方式,上午12時(shí)15分,36/60,4. 直接尋址方式 如: INC 1000,,,操作數(shù),1000,操作數(shù)尋址方式,上午12時(shí)15分,37/60,

16、5. 間接尋址方式寄存器間接，如: INC (R1)存儲(chǔ)器間接，如: INC (1000),,,,,A,,操作數(shù),,,A,,,,操作數(shù),R1,1000,操作數(shù)尋址方式,上午12時(shí)15分,38/60,6. 相對(duì)尋址方式 如: INC 8(PC),,,,操作數(shù),8,操作數(shù)尋址方式,上午12時(shí)15分,39/60,7. 變址和基址尋址方式 如：INC 8(R1),變址尋址 indexed mode -便于數(shù)組訪問 基址尋址 based mode -可擴(kuò)大尋址范圍，可實(shí)現(xiàn)程序浮動(dòng),,,,,I,,,,,,,操作數(shù),R1,8,操作數(shù)尋址方式,上午12時(shí)15分,40/60,8. 復(fù)合尋址方式如: INC

17、8(PC+R1) INC (R1)(1000),R1,8,操作數(shù)尋址方式,上午12時(shí)15分,41/60,各種常見尋址方式的匯編指令表示,上午12時(shí)15分,42/60,42/59,一、指令集設(shè)計(jì)原則 完備性：能夠覆蓋所需的各種功能 正交性：無功能完全相同的指令 可擴(kuò)充性：保留一定余量的操作碼空間以供以后功能擴(kuò)展。 有效性：利用該指令系統(tǒng)編寫的程序能高效地運(yùn)行。 兼容性：機(jī)器指令的通用性。,指令系統(tǒng),上午12時(shí)15分,上午12時(shí)15分,43/60,常見指令類型,數(shù)據(jù)傳送：move, load, store 算術(shù)運(yùn)算：add, sub, mult, div, comp 邏輯運(yùn)算：and, or,

18、neg, shift,上午12時(shí)15分,44/60,移位運(yùn)算shift,Data shift operations,上午12時(shí)15分,45/60,指令類型,數(shù)據(jù)傳送：move, load, store 算術(shù)運(yùn)算：add, sub, mult, div, comp 邏輯運(yùn)算：and, or, neg, shift 程序控制：jump, branch, jsr, ret, int 輸入輸出：in, out 堆棧操作：push, pop 字符串：如alpha中CMPBGE, INSWH等 多媒體指令：DSP 系統(tǒng)指令：用于改變計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作狀態(tài)。,上午12時(shí)15分,46/60,程序流控制-轉(zhuǎn)移指令

19、,條件轉(zhuǎn)移 vs 無條件轉(zhuǎn)移 相對(duì)轉(zhuǎn)移 vs 絕對(duì)轉(zhuǎn)移 狀態(tài)寄存器SR,,N,Z,V,C,P,N：符號(hào)標(biāo)志位 Negative Z：全零標(biāo)志位 Zreo V：溢出標(biāo)志位 Overflow C：進(jìn)位/借位標(biāo)志位 Carry P：奇偶標(biāo)志位 Parity,上午12時(shí)15分,47/60,功能 實(shí)現(xiàn)子程序調(diào)用 步驟 將下一條指令的地址(PC的值)存放在一個(gè)臨時(shí)存儲(chǔ)位置 將子程序的起始地址裝入PC中 子程序返回指令 將存放在臨時(shí)存儲(chǔ)位置的指令地址取出 放回PC,程序流控制-轉(zhuǎn)子指令,上午12時(shí)15分,48/60,CISC和RISC,復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)（CISC） Complex Instruction

20、Set Computer 指令系統(tǒng)復(fù)雜：指令數(shù)目大于200條，尋址方式多，指令格式多。 指令串行執(zhí)行：執(zhí)行步驟多，需要多個(gè)時(shí)鐘周期。 各種指令都可訪問存儲(chǔ)器。 有較多專用寄存器。 編譯程序難以進(jìn)行高效的代碼優(yōu)化。,上午12時(shí)15分,49/60,精簡指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)（RISC） Reduced Instruction Set Computer 簡化的指令系統(tǒng) 以寄存器-寄存器方式工作 采用流水技術(shù) 使用較多的通用寄存器以減少訪存 采用優(yōu)化編譯技術(shù),CISC和RISC,上午12時(shí)15分,50/60,CISC和RISC,上午12時(shí)15分,51/60,采用RISC設(shè)計(jì)思想的計(jì)算機(jī)產(chǎn)品,HP公司的Alph

21、a系列、PA-RISC系列 IBM和Motorola公司的PowerPC系列 SGI公司的MIPS系列 SUN公司的SPARC系列 嵌入式處理器：ARM系列,上午12時(shí)15分,52/60,尋址方式,上午12時(shí)15分,53/60,數(shù)據(jù)類型,上午12時(shí)15分,54/60,指令類型數(shù)據(jù)傳輸指令,上午12時(shí)15分,55/60,指令類型算術(shù)指令,上午12時(shí)15分,56/60,指令類型程序轉(zhuǎn)移指令,上午12時(shí)15分,57/60,指令類型,串操作指令 MOVS 移動(dòng)字節(jié)、字、雙字串 LODS裝入字節(jié)、字、雙字串 支持高級(jí)語言指令 ENTER建立一個(gè)堆?？蚣?LEAVE恢復(fù)ENTER指令的動(dòng)作 BOUND檢查數(shù)組的值在上下界之間,上午12時(shí)15分,58/60,指令數(shù)量統(tǒng)計(jì),上午12時(shí)15分,59/60,Intel Architecture Processors,上午12時(shí)15分,60/60,第二章 CPU與指令系統(tǒng),END,