2012微機(jī)原理及接口技術(shù)課件ch3

1、 本章參考書(shū)第三章 微處理器體系結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)3.1 微處理器體系結(jié)構(gòu)及功能模塊簡(jiǎn)介處理器的 主要功能、基本結(jié)構(gòu)、簡(jiǎn)化的處理器模型結(jié)構(gòu)示例3.2 處理器設(shè)計(jì)1、處理器的設(shè)計(jì)步驟2、隨機(jī)邏輯控制器結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)3、微程序（微碼）控制器結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)4、指令系統(tǒng)設(shè)計(jì) 機(jī)器指令要素、指令格式、指令類型、尋址方式3.3 指令流水線技術(shù) 特點(diǎn)、操作、局限、設(shè)計(jì)、性能指標(biāo)3.4 典型微處理體系結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介ARM、x86微處理器的主要功能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)師認(rèn)為：處理器是指一種能夠經(jīng)過(guò)多個(gè)步驟執(zhí)行計(jì)算任務(wù)的數(shù)字設(shè)備。從本質(zhì)上講，處理器的作用是協(xié)調(diào)和控制計(jì)算機(jī)的各個(gè)部件，并執(zhí)行程序指令序列。處理器的5個(gè)主要功能： 指令控制：

2、控制指令按程序邏輯順序執(zhí)行。 操作控制：按照指令執(zhí)行過(guò)程及指令約定功能的需求產(chǎn)生各種操作控制信號(hào)。 時(shí)序控制：能夠在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間(時(shí)刻)使相應(yīng)操作控制信號(hào)有效，并保持所需的時(shí)長(zhǎng)。 數(shù)據(jù)加工：對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行算術(shù)和邏輯運(yùn)算處理。 中斷處理：程序執(zhí)行過(guò)程中應(yīng)能夠及時(shí)處理出現(xiàn)的I/O操作請(qǐng)求及異常情況。3微處理器的基本結(jié)構(gòu)用PMS描述邏輯結(jié)構(gòu)： P處理器、M存儲(chǔ)器、S開(kāi)關(guān) (如：馮諾依曼結(jié)構(gòu)的描述方式) 用RTL(Register Transfer Level)描述邏輯結(jié)構(gòu)： 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)特定級(jí)別，用RTL語(yǔ)言描述控制過(guò)程（寄存器一級(jí)的描述） 計(jì)算機(jī)邏輯結(jié)構(gòu)的兩種描述模型：馮諾依曼機(jī)：5大部件存儲(chǔ)程序串行

3、順序數(shù)據(jù)通路CPU的RTL描述：數(shù)據(jù)通路控制器5寄存器組數(shù)據(jù)通路:ALUReg+內(nèi)部總線ALU：運(yùn)算Reg組：暫存內(nèi)總線：傳輸簡(jiǎn)單的單總線 (ALU總線)復(fù)雜的多級(jí)總線(片上總線)6算術(shù)邏輯單元ALU累加器ACC累加鎖存器暫存器標(biāo)志寄存器FR通用寄存器組堆棧指針SP程序計(jì)數(shù)器PC微 操 作 控 制 電 路指令譯碼器ID指令寄存器IR 操作碼 , 地址碼脈沖分配器時(shí)鐘脈沖源控制總線CB地址總線AB數(shù)據(jù)總線DB內(nèi)部總線地址緩沖器數(shù)據(jù)緩沖器運(yùn)算器寄存器組控制器7控制器輸入輸出某個(gè)指令系統(tǒng)的指令長(zhǎng)度為32位，操作碼長(zhǎng)度為8位，地址長(zhǎng)度也為8位，當(dāng)它收到一個(gè)“00000 00000”的指令時(shí)，先取出它的

4、前8位操作碼，即，分析得出這是一個(gè)減法操作，有3個(gè)地址，分別是兩個(gè)源操作數(shù)地址和一個(gè)目的地址。于是，CPU就到內(nèi)存地址處取出被減數(shù)，到處取出減數(shù)，送到ALU中進(jìn)行減法運(yùn)算，然后把結(jié)果送到處。8 控制器基本功能：根據(jù)指令譯碼結(jié)果和當(dāng)前狀態(tài)決定在什么時(shí)間、根據(jù)什么條件、發(fā)出什么命令、做什么操作：生成時(shí)序控制信號(hào)生成指令執(zhí)行所需的控制信號(hào)響應(yīng)各種中斷或異常事件請(qǐng)求控制器的基本功能（課本P66）：時(shí)序控制部件時(shí)序控制部件：脈沖源+分頻邏輯,用以產(chǎn)生各種系統(tǒng)所需的、 滿足時(shí)序要求的控制信號(hào)。 時(shí)鐘周期 系統(tǒng)中最小的基本時(shí)間分段指令周期 讀取并執(zhí)行一條指令所需的時(shí)間工作周期 指令周期中的不同工作階段，也稱

5、機(jī)器周期考慮了中斷的指令周期狀態(tài)圖 CPU中的多級(jí)時(shí)序 三星ARM7處理器外部時(shí)鐘電路 系統(tǒng)時(shí)鐘采用外接10MHz和32.768 kHz的晶體振蕩器同時(shí)工作。其中，10MHz晶體振蕩器經(jīng)ARM內(nèi)部PLL倍頻轉(zhuǎn)換為66MHz，32.768 kHz晶體振蕩器為ARM的RTC(實(shí)時(shí)時(shí)鐘)計(jì)時(shí)。控制器基本操作微操作（課本P66） 微操作如：寄存器讀命令、寄存器寫(xiě)命令、打開(kāi)三態(tài)門(mén)、清鎖存器、PC值加1、各種復(fù)位命令等等 12簡(jiǎn)化的處理器模型P62頁(yè), 程序計(jì)數(shù)器PC:指向下一條要執(zhí)行的指令13CPU與內(nèi)存儲(chǔ)器的接口1.對(duì)外形成三總線形式；2.寄存器MAR和MDR簡(jiǎn)化了CPU與主存之間的傳送通路，使其容易

6、控制;3.寄存器MAR和MDR對(duì)用戶透明,即不能編程訪問(wèn)；14處理器的設(shè)計(jì)1、擬定指令系統(tǒng)：需要完成哪些操作。2、確定總體結(jié)構(gòu)：寄存器設(shè)置、運(yùn)算部件、控制部件的設(shè)計(jì)3、安排時(shí)序：時(shí)序控制信號(hào)的產(chǎn)生（控制器完成具體產(chǎn)生）4、擬定指令流程：指令執(zhí)行過(guò)程中的每一步傳送操作的流程。 5、形成控制邏輯：根據(jù)指令流程形成最終的控制邏輯。 按照微控制命令的形成方式，控制器可分為隨機(jī)邏輯和微程序兩種基本類型。隨機(jī)邏輯控制器設(shè)計(jì)（組合邏輯控制方式、硬連線方式）隨機(jī)邏輯控制器的操作1-取指令 程序計(jì)數(shù)器的值經(jīng)MUX送到存儲(chǔ)器； 存儲(chǔ)器內(nèi)取出的指令寫(xiě)入指令寄存器； 程序計(jì)數(shù)器加1后回寫(xiě)；隨機(jī)邏輯控制器的操作2-指令

7、譯碼與執(zhí)行 寄存器堆中的某個(gè)地址寄存器通過(guò)MUX尋址存儲(chǔ)器（如：1000H），獲得ALU的一個(gè)操作數(shù)； 另一個(gè)操作數(shù)來(lái)自于寄存器堆中的數(shù)據(jù)寄存器； ALU的結(jié)果值被回寫(xiě)入寄存器堆。 上述過(guò)程中的所有控制信號(hào)（如控制PC加1）都是由硬連線來(lái)控制的（硬件控制），這種隨機(jī)邏輯(硬連線邏輯)體系結(jié)構(gòu)中，用布爾邏輯函數(shù)來(lái)表示控制單元的輸入和輸出之間的關(guān)系PC加1控制信號(hào)寄存器讀、寫(xiě)等其它控制信號(hào)隨機(jī)邏輯控制器的結(jié)構(gòu)隨機(jī)邏輯(硬連線邏輯)體系結(jié)構(gòu)中，用布爾邏輯函數(shù)來(lái)表示控制單元的輸入和輸出之間的關(guān)系時(shí)序部件指令預(yù)處理如各種運(yùn)算控制、PC加1、讀寫(xiě)控制信號(hào)等最小化邏輯門(mén)數(shù)目?jī)?yōu)化硬件邏輯、盡可能地少用觸發(fā)器方

8、式優(yōu)化硬件時(shí)序邏輯門(mén)級(jí)數(shù)最小化； 建立并行通路以減少時(shí)序約束(增加邏輯門(mén))簡(jiǎn)化指令集邏輯簡(jiǎn)單、寄存器數(shù)量少隨機(jī)邏輯控制器的設(shè)計(jì)要點(diǎn) 隨機(jī)邏輯控制器的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)： 運(yùn)行速度快，僅取決于電路延遲。并且可通過(guò)簡(jiǎn)化指令減少所使用的門(mén)電路總數(shù)從而減少制造費(fèi)用。缺點(diǎn)：指令集結(jié)構(gòu)與硬件邏輯方程之間存在著密切聯(lián)系，設(shè)計(jì)過(guò)程復(fù)雜。重用性差，設(shè)計(jì)成果很少能再利用到以后的新CPU設(shè)計(jì)中。適用于較簡(jiǎn)單的指令集結(jié)構(gòu)。現(xiàn)代RISC處理器一般都使用硬連線邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)大部分功能 微碼控制器的設(shè)計(jì)微碼控制器的體系結(jié)構(gòu)在微碼結(jié)構(gòu)中，控制單元的輸入和輸出之間的關(guān)系被視為一個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)。時(shí)序部件指令預(yù)處理 工作原理 微程序控制，又稱存儲(chǔ)控

9、制。 組成微碼控制器+微代碼微碼(微指令)舉例控制信號(hào)微碼(微指令)PC+1M讀MUXReg寫(xiě)其它1011 把每一條復(fù)雜指令（CISC)所完成的工作（取指令、分析指令、）分解為多個(gè)有序步驟（每一個(gè)步驟稱為一個(gè)微碼），并把這些步驟封裝為一段簡(jiǎn)單代碼（微程序）放在CPU內(nèi)部的微碼存儲(chǔ)器中。取指令 微碼分析指令 微碼執(zhí)行指令 微碼微碼控制器的操作1-控制流控制邏輯對(duì)IR中的指令譯碼，確定對(duì)應(yīng)微碼程序地址并寫(xiě)入PC；PC向微碼ROM提供地址， 返回的微碼寫(xiě)入IR；3. IR譯碼后產(chǎn)生相應(yīng) 的控制信號(hào)；PC地址加1后獲取 下一條微指令地址， 直到完成整個(gè)微碼 程序；回憶一下第2章的分層結(jié)構(gòu)微碼控制器的操

10、作2-數(shù)據(jù)通路 數(shù)據(jù)通路一般應(yīng)有如下三個(gè)基本的時(shí)鐘周期：從存儲(chǔ)器讀數(shù)據(jù)后(做如下操作之一)：寫(xiě)入寄存器堆(Register File)；寫(xiě)入指令寄存器(IR)；寫(xiě)入臨時(shí)寄存器(TempIn)， 作為ALU的一個(gè)輸入；從寄存器讀數(shù)據(jù)后(做如下操作之一) ：寫(xiě)入存儲(chǔ)器地址寄存器MAR；寫(xiě)入臨時(shí)寄存器作為ALU的一個(gè)輸入；存入存儲(chǔ)器；將Result寄存器內(nèi)容寫(xiě)入寄存器堆，或存入存儲(chǔ)器微碼控制器的設(shè)計(jì)步驟 建立硬件體系結(jié)構(gòu) 保證其具備執(zhí)行必要基本功能步驟的功能。建立微程序?qū)⒅噶罘指畛稍S多微步驟，轉(zhuǎn)寫(xiě)成微程序并寫(xiě)入控制存儲(chǔ)器ROM。微碼控制器的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)，可使其成品機(jī)器幾乎沒(méi)有設(shè)計(jì)上的錯(cuò)誤；

11、建立或改動(dòng)微代碼比建立或改動(dòng)電路省時(shí)、不易出錯(cuò)，因此創(chuàng)建新的CPU版本將會(huì)更快；缺點(diǎn)： 同樣功能微代碼比硬連邏輯實(shí)現(xiàn)的開(kāi)銷大微碼結(jié)構(gòu)與隨機(jī)邏輯結(jié)構(gòu)的比較硬件設(shè)計(jì)開(kāi)銷隨機(jī)邏輯CPU的硬件和指令集必須同步進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，因此比較復(fù)雜。微碼CPU的指令集設(shè)計(jì)并不直接影響現(xiàn)有硬件，修改指令集并不需要重新設(shè)計(jì)新的硬件。性能如果采用相同指令集，則隨機(jī)邏輯CPU操作會(huì)更快。如果執(zhí)行相同的計(jì)算任務(wù)，微碼CPU能夠通過(guò)使用更少(但更復(fù)雜)的指令達(dá)到更高性能?，F(xiàn)代CISC處理器一般都使用微碼來(lái)實(shí)現(xiàn)大部分功能 指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)指令集結(jié)構(gòu)(ISA，Instruction Set Architecture)： 是體系結(jié)構(gòu)的

12、主要內(nèi)容之一，其功能設(shè)計(jì)實(shí)際上就是確定軟硬件的功能分配?？紤]因素 速度、成本和靈活性實(shí)現(xiàn)方式 硬件、軟件 優(yōu)化策略 RISC、CISC實(shí)現(xiàn)內(nèi)容 數(shù)據(jù)類型、指令功能、指令格式、尋址方式實(shí)現(xiàn)步驟根據(jù)應(yīng)用初擬出指令的分類和具體的指令；編寫(xiě)出針對(duì)該指令系統(tǒng)的各種高級(jí)語(yǔ)言編譯程序；對(duì)多種算法程序進(jìn)行模擬測(cè)試，確認(rèn)指令系統(tǒng)的操作碼和尋址方式的效能是否都比較高；用硬件實(shí)現(xiàn)高頻使用的指令，軟件實(shí)現(xiàn)低頻使用指令。指令要素操作碼(operation code，opcode)：需要完成的操作源操作數(shù) (source operand reference)：操作所需的輸入結(jié)果操作數(shù) (result operand re

13、ference)：操作產(chǎn)生的結(jié)果下一條指令 (next instruction reference)：告訴CPU到哪里取下一條指令 指令格式 在計(jì)算機(jī)內(nèi)部，指令由一個(gè)位串來(lái)表示。相應(yīng)于指令的各要素，這些位串劃分成幾個(gè)字段：操作碼字段：說(shuō)明CPU應(yīng)進(jìn)行的操作操作數(shù)字段/地址字段：說(shuō)明源操作數(shù)和目的操作數(shù)存放的位置信息：說(shuō)明源操作數(shù)和目的操作數(shù)的數(shù)據(jù)類型。下一條指令地址字段： 如緊跟當(dāng)前指令，在主存或虛存中，則不需顯示引用； 如可能產(chǎn)生跳轉(zhuǎn)，則需要顯示給出存儲(chǔ)地址；數(shù) 據(jù) 類 型1、確認(rèn)某種特殊類型的數(shù)據(jù)是否應(yīng)該得到硬件支持。 數(shù)值型數(shù)據(jù)：無(wú)符號(hào)整數(shù)、帶符號(hào)整數(shù)、浮點(diǎn)數(shù) 非數(shù)值數(shù)據(jù)：字符串2、確認(rèn)

14、字長(zhǎng)（對(duì)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的限制）。 截?cái)啵╰runcation）或溢出（overflow）操作數(shù)的數(shù)目 二元操作(binary operation)是一種基本操作類型，通常包含三個(gè)操作數(shù)地址：兩個(gè)源操作數(shù)和一個(gè)目的(結(jié)果)操作數(shù)。 每一個(gè)操作數(shù)可以定位在存儲(chǔ)器或寄存器中。 【指令格式的實(shí)例】假設(shè)某機(jī)器的字長(zhǎng)是八位，支持常見(jiàn)的簡(jiǎn)單指令：指令是二地址指令，源操作數(shù)可采用兩種尋址方式寄存器尋址（R0、R1）和立即尋址；目的操作數(shù)可采用寄存器和直接兩種尋址方式。為上述機(jī)器指令設(shè)計(jì)合適的代碼方案。 若采用定長(zhǎng)編碼（8bit）方案，可定義指令格式如下：7654 3 2 1 0操作碼=0000表示ADD=0001表

15、示SUB=0010表示MOV=0011表示IN=0100表示OUT目的操作數(shù)尋址方式：0直接尋址 1寄存器尋址目標(biāo)寄存器編號(hào)源操作數(shù)尋址方式：0立即尋址 1寄存器尋址源寄存器編號(hào)指令類型指令按功能分成如下四種基本類型： 數(shù)據(jù)處理：算術(shù)和邏輯指令 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)：存儲(chǔ)器指令 數(shù)據(jù)傳送：I/O指令 控制：測(cè)試和轉(zhuǎn)移指令尋 址 方 式1、存放于CPU內(nèi)部的寄存器中； 2、存放于存儲(chǔ)器單元內(nèi)3、來(lái)自I/O端口； 4、由指令直接給出操作數(shù)ABDB控制器運(yùn)算器寄存器CPU存儲(chǔ)器00000HFFFFFHI/O接口0000HFFFFHI/O外設(shè)CBCPU怎么找到這些操作數(shù)的？信箱編址及尋址為什么需要尋址？需要找到操

16、作數(shù) 什么是尋址？根據(jù)地址尋找操作數(shù) 尋址方式？以何種方式給出地址，并按此地址尋找操作數(shù)的方式 尋址 一個(gè)生活中的例子尋找同學(xué)（張三）的方法（把你們的宿舍樓想像成一個(gè)存儲(chǔ)器）找到張三知道宿舍號(hào)值班室也不清楚張3宿舍號(hào)，只知道張3住在李4右邊隔壁的隔壁不知道宿舍號(hào)直接通過(guò)宿舍號(hào)(門(mén)牌地址)找問(wèn)值班室！間接獲取宿舍號(hào)直接尋址間接尋址以李4的宿舍號(hào)為基準(zhǔn)，向右數(shù)兩個(gè)單元位移量尋址其他情況（變址尋址）（比例尺尋址）尋址方式：1操作數(shù)直接寫(xiě)入程序（非存儲(chǔ)器尋址方式）： 立即數(shù)尋址（P78）, 如 : MOV R1, #0 x64 (ARM指令) 2操作數(shù)在寄存器中（非存儲(chǔ)器尋址方式）： 寄存器（直接）尋

17、址（P78）3操作數(shù)在存儲(chǔ)器中（存儲(chǔ)器尋址方式） ： 存儲(chǔ)器直接尋址（P79）、存儲(chǔ)器間接尋址（P79、80）、相對(duì)尋址（P81）4. 操作數(shù)在I/O接口中（非存儲(chǔ)器尋址方式） ： 存儲(chǔ)器尋址（存儲(chǔ)器映像編址）或端口尋址（獨(dú)立編址）要找的張三在樓外等候要找的張三在樓內(nèi)宿舍等候要找的張三就在你身邊立即數(shù)尋址immediate addressing modeP240 ARM指令寄存器直接尋址方式register direct addressing mode 指令的地址字段給出寄存器號(hào)（名），而被指定的寄存器的內(nèi)容就是操作數(shù)。 P240 ARM指令存儲(chǔ)器直接尋址memory direct addre

18、ssing mode指令的地址字段直接給定一個(gè)立即數(shù)作為存儲(chǔ)器的邏輯地址。寄存器直接尋址ARM無(wú)對(duì)應(yīng)的該尋址方式存儲(chǔ)器直接尋址 和 寄存器直接尋址 區(qū)別區(qū)別：前者在CPU內(nèi)部操作，后者需要發(fā)出存儲(chǔ)器地址和存儲(chǔ)器讀信號(hào)存儲(chǔ)器直接尋址寄存器器直接尋址存儲(chǔ)器間接尋址memory indirect addressing mode(1)寄存器間接尋址方式(2)存儲(chǔ)器間接尋址方式(3)位移量尋址方式(4)變址尋址方式(5)比例尺尋址方式(6)自增和自減尋址方式(補(bǔ)充)寄存器間接尋址方式register indirect addressing mode 將存儲(chǔ)器地址指定在寄存器中，即讓寄存器內(nèi)容指向一個(gè)可訪

19、問(wèn)到操作數(shù)的存儲(chǔ)器單元。P241 ARM有該尋址方式，但無(wú)直接對(duì)應(yīng)指令存儲(chǔ)器間接尋址方式 memory indirect addressing mode ARM無(wú)對(duì)應(yīng)的該尋址方式位移量尋址方式displacement addressing mode 針對(duì)數(shù)組、矩陣類向量數(shù)據(jù)的存取P242 ARM有該尋址方式，但無(wú)直接對(duì)應(yīng)指令變址尋址方式indexed addressing modeP242 ARM有該尋址方式，但無(wú)直接對(duì)應(yīng)指令比例尺尋址方式scaled addressing mode位移量尋址+變址尋址ARM無(wú)對(duì)應(yīng)的該尋址方式自增和自減尋址方式auto-increment/decrement

20、addressing mode PUSHPOP自減尋址方式入棧操作PUSH自增和自減尋址方式auto-increment/decrement addressing mode 自增尋址方式P243 ARM中有對(duì)應(yīng)尋址方式，稱堆棧尋址出棧操作PUSHPC相對(duì)尋址方式（P81）Program Counter-related addressing mode 主要用在轉(zhuǎn)移和跳轉(zhuǎn)指令，指定匯編語(yǔ)言程序碼的內(nèi)部位置作為操作數(shù)。指令：JUMP label 操作： PC label= (PC)updated +（imm）sign_ext表示當(dāng)前指令取出后的PC值出現(xiàn)在指令中P243 ARM有該尋址方式和對(duì)應(yīng)指令

21、流水線技術(shù)的特點(diǎn) 總延遲320ps吞吐量3.12GIPS延遲?ps吞吐量?GIPS總延遲360ps吞吐量8.33GIPS總延遲增加；整體吞吐量增大；P4555流水線操作過(guò)程到達(dá)流水線相應(yīng)寄存器的輸入進(jìn)入流水線相應(yīng)寄存器并輸出至下一級(jí)運(yùn)行的中間過(guò)程56流水線的局限性 局限1：各階段性能差異會(huì)導(dǎo)致流水線性能下降 局限2：寄存器延遲開(kāi)銷導(dǎo)致流水線性能下降硬件空閑延遲?ps吞吐量?GIPS實(shí)際延遲510ps吞吐量5.88GIPS運(yùn)行周期由最慢階段決定=170ps段延遲縮小一半（100ps減至50ps），吞吐量并未增大1倍57指令流水線設(shè)計(jì)理想流水線： 各級(jí)延時(shí)時(shí)間相等； 無(wú)等待時(shí)間； 大量代碼不斷流；

22、58吞吐率(量)吞吐率(量)Tp：指單位時(shí)間內(nèi)能完成的作業(yè)量。最大吞吐率Tpmax：流水線達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后的吞 吐率。用于描述流水線執(zhí)行各種運(yùn)算的速率，通常表示為每秒執(zhí)行的運(yùn)算數(shù)或每周期執(zhí)行的運(yùn)算數(shù)。若一個(gè)m級(jí)線性流水線各級(jí)時(shí)長(zhǎng)(即拍長(zhǎng))均為t，則連續(xù)處理n條指令時(shí)的實(shí)際吞吐率Tp為：可以看出，當(dāng)n時(shí)，最大吞吐率Tpmax1/ t理想流水線，大量代碼如果流水線中各級(jí)的執(zhí)行時(shí)間不相等，其中時(shí)間最長(zhǎng)者就成了流水線中的“瓶頸”59加速比(Speedup Ratio)非流水線執(zhí)行時(shí)間相對(duì)流水線執(zhí)行時(shí)間之比。 若一個(gè)m級(jí)線性流水線各級(jí)時(shí)長(zhǎng)(即拍長(zhǎng))均為t，則連續(xù)處理n條指令時(shí)的加速比Sp為:可以看出，當(dāng)

23、n時(shí)，Spm，即最大加速比等于流水線的段數(shù)m。60 試題分析09年期中試題填空題： 流水線的加速比指（ ）。若一臺(tái)非流水型機(jī)器的時(shí)鐘周期是10納秒，ALU操作和分支操作需要4個(gè)時(shí)鐘周期，存儲(chǔ)器操作需要五個(gè)時(shí)鐘周期，以上操作的比例相應(yīng)為40%,20%,40%。 假設(shè)由于存在時(shí)鐘偏移和啟動(dòng)時(shí)間，一臺(tái)流水型機(jī)器的時(shí)鐘周期增加了1納秒，忽略延遲的影響，則該流水線的加速比是（ ）。 分析：直接采用加速比計(jì)算公式？ 效率(Efficiency)一定時(shí)段內(nèi)，流水線所有段處于工作狀態(tài)的比率。 若一個(gè)m級(jí)線性流水線各級(jí)時(shí)長(zhǎng)(即拍長(zhǎng))均為t，則連續(xù)處理n條指令時(shí)的效率E為:E =指令完成時(shí)間內(nèi)占用的時(shí)空區(qū) /指令

24、總時(shí)空區(qū)可以看出，當(dāng) n時(shí)，E1，即流過(guò)流水線的指令越多，流水線效率越高。 62將技術(shù)授權(quán)給其它芯片廠商形成各具特色的ARM芯片F(xiàn)reescaleATMELSAMAUNGST ARM是Advanced RISC Machines的縮寫(xiě)，該公司設(shè)計(jì)了大量高性能、廉價(jià)、耗能低的RISC (精簡(jiǎn)指令集)處理器; ARM公司的特點(diǎn)是只設(shè)計(jì)而不生產(chǎn)。它將技術(shù)授權(quán)給世界上許多著名的半導(dǎo)體、軟件和OEM廠商，并提供服務(wù)。嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)不同公司制作的ARM開(kāi)發(fā)板自己制作滿足需求的ARM系統(tǒng)ARM芯片+存儲(chǔ)器+IO部件63ARM體系結(jié)構(gòu)1、RISC指令集，內(nèi)核小，功耗低、成本低2、運(yùn)算器操作數(shù)只能從寄存器輸入/

25、輸出3、采用桶式移位器處理ALU輸入，靈活高速64ARM指令系統(tǒng)特點(diǎn)（了解）1、RISC指令規(guī)則，適合流水設(shè)計(jì)2、尋址方式靈活簡(jiǎn)單，執(zhí)行效率高3、所有指令的條件執(zhí)行實(shí)現(xiàn)最快速的代碼執(zhí)行4、支持Thumb（16 位）/ARM（32 位）雙指令集，能很好的兼容8 位/16 位器件65操作碼條件助記符標(biāo)志含義0000EQZ=1相等0001NEZ=0不相等0010CS/HSC=1無(wú)符號(hào)數(shù)大于或等于0011CC/LOC=0無(wú)符號(hào)數(shù)小于0100MIN=1負(fù)數(shù)0101PLN=0正數(shù)或零0110VSV=1溢出0111VCV=0沒(méi)有溢出1000HIC=1,Z=0無(wú)符號(hào)數(shù)大于1001LSC=0 or Z=1無(wú)符號(hào)

26、數(shù)小于或等于1010GEN=V有符號(hào)數(shù)大于或等于 1011LTN!=V有符號(hào)數(shù)小于 1100GTZ=0,N=V有符號(hào)數(shù)大于 1101LEZ=1,N!=V有符號(hào)數(shù)小于或等于 1110AL任何無(wú)條件執(zhí)行 (指令默認(rèn)條件) 1111NV任何從不執(zhí)行(不要使用) 這兩個(gè)字符可加在指令后，與指令同時(shí)使用。如果指令不標(biāo)明條件代碼，將默認(rèn)為無(wú)條件執(zhí)行ARM指令條件碼cond （了解）例：數(shù)據(jù)處理指令的編碼格式（了解）指令條件碼I=1：立即數(shù)； I=0：寄存器移位第二操作數(shù)Rd目標(biāo)寄存器Rn第一操作數(shù)寄存器S=1：根據(jù)結(jié)果設(shè)置CPSR中的條件碼S=0：不設(shè)置CPSR中的條件碼帶進(jìn)位加法ADC0101帶進(jìn)位減法指令SBC0110帶進(jìn)位逆向減法指令RSC0111位測(cè)試指令TST1000相等測(cè)試指令TEQ1001比較指令CMP1010負(fù)數(shù)比較指令CMN1011邏輯或操作指令ORR1100數(shù)據(jù)傳送MOV1101位清除指令BIC1110數(shù)據(jù)非傳送MVN1111加法運(yùn)算指令A(yù)DD0100逆向減法指令RSB001