微處理器ppt2

1、微處理器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)第二章第二章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成與工作原理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成與工作原理2.1 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)與組成計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)與組成層次模型層次模型 Hiberarchy結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)Architecture、組、組成成Organization與實(shí)現(xiàn)與實(shí)現(xiàn)Realization2.2 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作原理計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的工作原理馮馮諾依曼計(jì)算機(jī)架構(gòu)諾依曼計(jì)算機(jī)架構(gòu)模型機(jī)模型機(jī)：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、指令集指令集、工作流程工作流程2.3 微處理器體系結(jié)構(gòu)的改微處理器體系結(jié)構(gòu)的改革革改進(jìn)：改進(jìn)：指令集指令集(RISC/CISC)、分層存儲(chǔ)器、分層存儲(chǔ)器 、高速總線、高速總線/接

2、口接口改變：改變：流水線流水線、超標(biāo)量超標(biāo)量、超長(zhǎng)指令字超長(zhǎng)指令字、多機(jī)多機(jī)/核核、多線程、多線程2.4 計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)分類計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)分類2.5 計(jì)算機(jī)性能評(píng)測(cè)計(jì)算機(jī)性能評(píng)測(cè)Performance 字長(zhǎng)字長(zhǎng)、存儲(chǔ)容量存儲(chǔ)容量、運(yùn)算速度運(yùn)算速度并行技術(shù)并行技術(shù)2022-7-42/ 50Flynn第二章第二章 習(xí)題習(xí)題作業(yè)：作業(yè)：2626、1414、1515思考：思考：1 1、7137132022-7-42022-7-43/322022-7-43/ 50第 二 章 結(jié) 束（a）軟硬件層次）軟硬件層次 （b）語(yǔ)言層次）語(yǔ)言層次計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的層次結(jié)構(gòu) （a）圖自下而上反映了系統(tǒng)逐

3、級(jí)）圖自下而上反映了系統(tǒng)逐級(jí)生成生成的過(guò)程，自上而下反映了系統(tǒng)的過(guò)程，自上而下反映了系統(tǒng)求求解解問(wèn)題的過(guò)程；問(wèn)題的過(guò)程； 軟硬件的邏輯等價(jià)性軟硬件的邏輯等價(jià)性可以表現(xiàn)為：硬件軟化（如可以表現(xiàn)為：硬件軟化（如RISC思想）、軟件硬思想）、軟件硬化（如化（如CISC思想）、固件化（如微程序）思想）、固件化（如微程序） ； （b）圖中的）圖中的虛擬機(jī)虛擬機(jī)：與某種特殊編程語(yǔ)言對(duì)應(yīng)的假想硬件機(jī)器：與某種特殊編程語(yǔ)言對(duì)應(yīng)的假想硬件機(jī)器微體系結(jié)構(gòu)層微體系結(jié)構(gòu)層（微程序或硬連邏輯）（微程序或硬連邏輯）操作系統(tǒng)層操作系統(tǒng)層語(yǔ)言處理層（解釋、編譯）語(yǔ)言處理層（解釋、編譯）用戶程序?qū)樱ㄕZ(yǔ)言編程）用戶程序?qū)樱ㄕZ(yǔ)言編

4、程）系統(tǒng)分析層（數(shù)學(xué)模型、算法）系統(tǒng)分析層（數(shù)學(xué)模型、算法）硬核硬核級(jí)級(jí)數(shù)字邏輯層（硬件）數(shù)字邏輯層（硬件）指令系統(tǒng)層（機(jī)器語(yǔ)言指令）指令系統(tǒng)層（機(jī)器語(yǔ)言指令）應(yīng)用語(yǔ)言虛擬機(jī)應(yīng)用語(yǔ)言虛擬機(jī)高級(jí)語(yǔ)言虛擬機(jī)高級(jí)語(yǔ)言虛擬機(jī)匯編語(yǔ)言虛擬機(jī)匯編語(yǔ)言虛擬機(jī)操作系統(tǒng)虛擬機(jī)操作系統(tǒng)虛擬機(jī)機(jī)器語(yǔ)言級(jí)機(jī)器語(yǔ)言級(jí)微程序級(jí)微程序級(jí)寄存器級(jí)（硬件）寄存器級(jí)（硬件）硬件系統(tǒng)：異常處理機(jī)構(gòu)、指令系統(tǒng)、硬件系統(tǒng)：異常處理機(jī)構(gòu)、指令系統(tǒng)、CPU、存儲(chǔ)器、存儲(chǔ)器、I/O及通信子系統(tǒng)及通信子系統(tǒng)系統(tǒng)軟件：操作系統(tǒng)、編譯器、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系系統(tǒng)軟件：操作系統(tǒng)、編譯器、數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)、統(tǒng)、Web瀏覽器、設(shè)備驅(qū)動(dòng)、中斷服務(wù)程序?yàn)g覽器、設(shè)備驅(qū)

5、動(dòng)、中斷服務(wù)程序應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件體系結(jié)構(gòu)、組成與實(shí)現(xiàn)體系結(jié)構(gòu)、組成與實(shí)現(xiàn)n 體系結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)Architecture 程序員關(guān)心的計(jì)算機(jī)概念結(jié)構(gòu)與功能特性程序員關(guān)心的計(jì)算機(jī)概念結(jié)構(gòu)與功能特性如：確定指令集中是否有乘法指令；如：確定指令集中是否有乘法指令；n 計(jì)算機(jī)組成計(jì)算機(jī)組成Organization從硬件角度關(guān)注物理機(jī)器的組織（功能部件及互從硬件角度關(guān)注物理機(jī)器的組織（功能部件及互連）連） 如：乘法指令由專用乘法器還是用加法器實(shí)現(xiàn)如：乘法指令由專用乘法器還是用加法器實(shí)現(xiàn)n 計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)Realization底層的器件技術(shù)、微組裝技術(shù)、冷卻技術(shù)等底層的器件技術(shù)、微組裝技術(shù)、冷卻技術(shù)等如

6、：加法器底層的物理器件類型及微組裝技術(shù)如：加法器底層的物理器件類型及微組裝技術(shù)2022-7-46/ 50系列機(jī)系列機(jī): :相同相同的體系結(jié)構(gòu)，的體系結(jié)構(gòu)，不同的組成不同的組成計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu) 1946年年，美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)莫爾學(xué)院的物理學(xué)博士，美國(guó)賓夕法尼亞大學(xué)莫爾學(xué)院的物理學(xué)博士Mauchley和電氣工程師和電氣工程師Eckert領(lǐng)導(dǎo)的小組研制成功世界上第領(lǐng)導(dǎo)的小組研制成功世界上第一臺(tái)數(shù)字式電子計(jì)算機(jī)一臺(tái)數(shù)字式電子計(jì)算機(jī)ENIAC（十進(jìn)制）。（十進(jìn)制）。 著名的美籍匈牙利數(shù)學(xué)家著名的美籍匈牙利數(shù)學(xué)家Von Neumann參加了為改進(jìn)參加了為改進(jìn)ENIAC而舉行的一系列專家會(huì)

7、議，研究了新型計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)。而舉行的一系列專家會(huì)議，研究了新型計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)。 1949年年，英國(guó)劍橋大學(xué)的威爾克斯等人在，英國(guó)劍橋大學(xué)的威爾克斯等人在EDSAC 機(jī)上實(shí)現(xiàn)機(jī)上實(shí)現(xiàn)了馮了馮諾依曼模式。諾依曼模式。 直至今天直至今天馮馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)諾依曼體系結(jié)構(gòu)依然是絕大依然是絕大多數(shù)數(shù)字計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)。多數(shù)數(shù)字計(jì)算機(jī)的基礎(chǔ)。2022-7-47/ 50計(jì)算機(jī)的組成（計(jì)算機(jī)的組成（1）功能部件功能部件計(jì)算機(jī)的組成（計(jì)算機(jī)的組成（2）總線結(jié)構(gòu)總線結(jié)構(gòu)部部件的互聯(lián)件的互聯(lián)2022-7-49/ 50計(jì)算機(jī)的組成（計(jì)算機(jī)的組成（3）同步數(shù)字系統(tǒng)同步數(shù)字系統(tǒng)數(shù)數(shù)據(jù)的處理、傳輸與據(jù)的處理、傳輸與控制控制

8、2022-7-410/ 50數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)傳送傳送裝置裝置控制控制機(jī)構(gòu)機(jī)構(gòu)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)存儲(chǔ)裝置裝置數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)處理處理裝置裝置操作環(huán)境操作環(huán)境（數(shù)據(jù)的源和目標(biāo)）（數(shù)據(jù)的源和目標(biāo)）有限狀態(tài)機(jī)有限狀態(tài)機(jī)外部外部控制控制收入收入時(shí)鐘時(shí)鐘數(shù)據(jù)通道數(shù)據(jù)通道邏輯邏輯數(shù)據(jù)通道數(shù)據(jù)通道寄存器寄存器控制單元控制單元控制信號(hào)控制信號(hào)狀態(tài)信號(hào)狀態(tài)信號(hào)時(shí)鐘時(shí)鐘數(shù)據(jù)通道數(shù)據(jù)通道數(shù)據(jù)通道數(shù)據(jù)通道單元單元控制單元控制單元（狀態(tài)機(jī)）（狀態(tài)機(jī)）輸入輸入數(shù)據(jù)單元數(shù)據(jù)單元輸出輸出命命令令時(shí)鐘時(shí)鐘條件條件數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)控制控制控制控制控制控制計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)的實(shí)現(xiàn) 半導(dǎo)體技術(shù)半導(dǎo)體技術(shù) 制造技術(shù)制造技術(shù) 封裝技術(shù)封裝技術(shù) 裝配技術(shù)裝配技術(shù)

9、 電源技術(shù)電源技術(shù) 冷卻技術(shù)冷卻技術(shù) 2022-7-411/ 50體系結(jié)構(gòu)角度的多層結(jié)構(gòu)體系結(jié)構(gòu)角度的多層結(jié)構(gòu)硬件向上提供的接口：硬件向上提供的接口： 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng) 異常事件異常事件 端口定義端口定義2022-7-412/ 50組織角度的多層結(jié)構(gòu)組織角度的多層結(jié)構(gòu)13/322022-7-42022-7-42022-7-413/ 50設(shè)計(jì)指令代碼；設(shè)計(jì)指令代碼；產(chǎn)生控制信號(hào)；產(chǎn)生控制信號(hào)；數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)；數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)；算術(shù)、邏輯操作功能部件，算術(shù)、邏輯操作功能部件，寄存器寄存器解釋指令；解釋指令；產(chǎn)生控制信號(hào)；產(chǎn)生控制信號(hào)；管理執(zhí)行順序管理執(zhí)行順序馮馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)諾依曼體系結(jié)構(gòu)一一硬件組成硬件組

10、成n五大部分五大部分運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備運(yùn)算器、存儲(chǔ)器、控制器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備n以存儲(chǔ)器為中心以存儲(chǔ)器為中心二二信息表示：二進(jìn)制信息表示：二進(jìn)制 計(jì)算機(jī)內(nèi)部的控制信息和數(shù)據(jù)信息均采用計(jì)算機(jī)內(nèi)部的控制信息和數(shù)據(jù)信息均采用二進(jìn)制二進(jìn)制表示，并存放在同表示，并存放在同一個(gè)存儲(chǔ)器一個(gè)存儲(chǔ)器中。中。三三工作原理：存儲(chǔ)程序工作原理：存儲(chǔ)程序/指令指令(控制控制)驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng) 編制好的程序編制好的程序(包括指令和數(shù)據(jù)包括指令和數(shù)據(jù))預(yù)先經(jīng)由輸入設(shè)備輸入并預(yù)先經(jīng)由輸入設(shè)備輸入并保存在保存在存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器中；中； 計(jì)算機(jī)開(kāi)始工作后，在不需要人工干預(yù)的情況下由控制器計(jì)算機(jī)開(kāi)始工作后，在不需要人

11、工干預(yù)的情況下由控制器自動(dòng)自動(dòng)、高速地依次從存儲(chǔ)器中取出指令并加以執(zhí)行。、高速地依次從存儲(chǔ)器中取出指令并加以執(zhí)行。模型機(jī)體系結(jié)構(gòu)模型機(jī)體系結(jié)構(gòu)基于基于總線總線的的馮馮諾依曼架構(gòu)諾依曼架構(gòu)模型機(jī)模型機(jī)n 總線子系統(tǒng)：總線子系統(tǒng)：作為作為公共通道連接各公共通道連接各子子部件，用于實(shí)現(xiàn)各部件，用于實(shí)現(xiàn)各部件之間的數(shù)據(jù)、信息等的傳輸和交換部件之間的數(shù)據(jù)、信息等的傳輸和交換n 存儲(chǔ)器子系統(tǒng)：存儲(chǔ)器子系統(tǒng)：用來(lái)存放當(dāng)前的運(yùn)行程序和數(shù)據(jù)用來(lái)存放當(dāng)前的運(yùn)行程序和數(shù)據(jù)n 輸入輸出子系統(tǒng)：輸入輸出子系統(tǒng)：用于完成計(jì)算機(jī)與外部的信息交換用于完成計(jì)算機(jī)與外部的信息交換n CPU子系統(tǒng)：子系統(tǒng)：集成了集成了運(yùn)算器、控制

12、器和寄存器的超大規(guī)運(yùn)算器、控制器和寄存器的超大規(guī)模集成電路芯片模集成電路芯片(VLSI)2022-7-415/ 50共享的信息共享的信息傳輸通路傳輸通路模型機(jī)總線結(jié)構(gòu)模型機(jī)總線結(jié)構(gòu)按傳輸信息的不同，可將總線分為數(shù)據(jù)總線按傳輸信息的不同，可將總線分為數(shù)據(jù)總線DB、地址、地址總線總線AB和控制總線和控制總線CB三類三類： 地址總線通常是地址總線通常是單向單向的，由的，由主設(shè)備主設(shè)備(如如CPU)發(fā)出，用于選擇發(fā)出，用于選擇讀寫對(duì)象讀寫對(duì)象(如某個(gè)特定的存儲(chǔ)單元或外部設(shè)備如某個(gè)特定的存儲(chǔ)單元或外部設(shè)備)； 數(shù)據(jù)總線用于數(shù)據(jù)交換，通常是數(shù)據(jù)總線用于數(shù)據(jù)交換，通常是雙向雙向的；的； 控制總線包括真正的控

13、制總線包括真正的控制控制信號(hào)線信號(hào)線(如讀如讀/寫信號(hào)寫信號(hào))和一些和一些狀態(tài)狀態(tài)信信號(hào)線號(hào)線(如是否已將數(shù)據(jù)送上總線如是否已將數(shù)據(jù)送上總線)，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的監(jiān)視和，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的監(jiān)視和控制。控制。CPURAMROMI/O接口接口外設(shè)ABDBCB2022-7-416/ 50模型機(jī)內(nèi)存儲(chǔ)器模型機(jī)內(nèi)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器組織組織由許多由許多字節(jié)單元字節(jié)單元組成，每個(gè)單元都有一個(gè)唯一的組成，每個(gè)單元都有一個(gè)唯一的編號(hào)編號(hào)（存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)單元地址地址），保存的信息稱為存儲(chǔ)單元，保存的信息稱為存儲(chǔ)單元內(nèi)容內(nèi)容。訪問(wèn)訪問(wèn)(讀或?qū)懽x或?qū)?存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)單元 ：存儲(chǔ)單元地址經(jīng)地址譯碼后產(chǎn)生相存儲(chǔ)單元地址經(jīng)地址譯碼

14、后產(chǎn)生相應(yīng)的選通信號(hào)，應(yīng)的選通信號(hào)，同時(shí)同時(shí)在控制信號(hào)的作用下讀出存儲(chǔ)單元內(nèi)容在控制信號(hào)的作用下讀出存儲(chǔ)單元內(nèi)容到數(shù)據(jù)緩沖器，或?qū)?shù)據(jù)緩沖器中的內(nèi)容寫入選定的單元。到數(shù)據(jù)緩沖器，或?qū)?shù)據(jù)緩沖器中的內(nèi)容寫入選定的單元。pp程序和數(shù)據(jù)（程序程序和數(shù)據(jù)（程序執(zhí)行時(shí)產(chǎn)生的或者執(zhí)行時(shí)產(chǎn)生的或者變量、靜態(tài)數(shù)據(jù)等）變量、靜態(tài)數(shù)據(jù)等）分段存放分段存放算術(shù)邏輯單元算術(shù)邏輯單元ALU累加器累加器ACC累加鎖存器累加鎖存器暫存暫存器器標(biāo)志寄存器標(biāo)志寄存器FR通用寄存器組通用寄存器組堆棧指針堆棧指針SP程序計(jì)數(shù)器程序計(jì)數(shù)器PC微微 操操 作作 控控 制制 電電 路路指令譯碼器指令譯碼器ID指令寄存器指令寄存器IR 操

15、作碼操作碼 , 地址碼地址碼脈沖分配器脈沖分配器時(shí)鐘脈沖源時(shí)鐘脈沖源控制總線控制總線CB地址總線地址總線AB數(shù)據(jù)總線數(shù)據(jù)總線DB內(nèi)部總線內(nèi)部總線地址緩沖器地址緩沖器數(shù)據(jù)緩沖器數(shù)據(jù)緩沖器運(yùn)算器運(yùn)算器寄存器組寄存器組控制器控制器模型機(jī)模型機(jī)CPU子系統(tǒng)子系統(tǒng)2022-7-418/ 50模型機(jī)指令系統(tǒng)模型機(jī)指令系統(tǒng)指令是發(fā)送到指令是發(fā)送到CPU的命令，指示的命令，指示CPU執(zhí)行一個(gè)特定的處理，如執(zhí)行一個(gè)特定的處理，如從存儲(chǔ)器取數(shù)據(jù)、對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯運(yùn)算等。從存儲(chǔ)器取數(shù)據(jù)、對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行邏輯運(yùn)算等。CPU可以處理可以處理的全部指令集合稱為的全部指令集合稱為指令集指令集(Instruction Set)。指令

16、集結(jié)指令集結(jié)構(gòu)構(gòu)(ISA，Instruction Set Architecture) 是體系結(jié)構(gòu)的是體系結(jié)構(gòu)的主要內(nèi)容之一，對(duì)主要內(nèi)容之一，對(duì)CPU的基本組織會(huì)產(chǎn)生非常大的影響。的基本組織會(huì)產(chǎn)生非常大的影響。ISA功能設(shè)計(jì)實(shí)際就是功能設(shè)計(jì)實(shí)際就是確定軟硬件的功能分配確定軟硬件的功能分配。指令通常包含指令通常包含操作碼和操作數(shù)操作碼和操作數(shù)兩部分。操作碼指明要完成操作兩部分。操作碼指明要完成操作的性質(zhì)，如加、減、乘、除、數(shù)據(jù)傳送、移位等；操作數(shù)的性質(zhì)，如加、減、乘、除、數(shù)據(jù)傳送、移位等；操作數(shù)指明參加上述規(guī)定操作的數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)所存放的地址。指明參加上述規(guī)定操作的數(shù)據(jù)或數(shù)據(jù)所存放的地址。匯編語(yǔ)言源程

17、序匯編語(yǔ)言源程序機(jī)器語(yǔ)言程序機(jī)器語(yǔ)言程序（目標(biāo)代碼）（目標(biāo)代碼）匯編（匯編程序）匯編（匯編程序）高級(jí)語(yǔ)言源程序高級(jí)語(yǔ)言源程序編譯或解釋（編譯程序）編譯或解釋（編譯程序）模型機(jī)常用匯編指令模型機(jī)常用匯編指令指指 令令 類類 型型操作碼示例操作碼示例操作數(shù)示例操作數(shù)示例說(shuō)說(shuō) 明明算術(shù)類算術(shù)類加法加法ADDRs1, Rs2, RdRs, Imm, Rd( (Rs1) )+( (Rs2) )Rd( (Rs) )+ImmRd運(yùn)算類指令只能對(duì)寄存器中運(yùn)算類指令只能對(duì)寄存器中的數(shù)據(jù)或立即數(shù)進(jìn)行直接操的數(shù)據(jù)或立即數(shù)進(jìn)行直接操作作減法減法SUBRs1, Rs2, RdRs, Imm, Rd( (Rs1) )-

18、-( (Rs2) )Rd( (Rs) )- -ImmRd邏輯類邏輯類位與位與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傳送類傳送類存儲(chǔ)器或存儲(chǔ)器或I/O讀讀LDRMEM, RdMEM ( (Rd) )將指定地址的存儲(chǔ)單元或?qū)⒅付ǖ刂返拇鎯?chǔ)單元或I/O端口的值讀入寄存器端口的值讀入寄存器Rd存儲(chǔ)器或存儲(chǔ)器或I/O寫寫STRRs, MEM( (Rs) )

19、MEM將寄存器將寄存器Rs的值寫入指定地址的值寫入指定地址的存儲(chǔ)單元或的存儲(chǔ)單元或I/O端口端口寄存器訪問(wèn)寄存器訪問(wèn)MOVRs, RdImm, Rd( (Rs) )( (Rd) )跳轉(zhuǎn)類跳轉(zhuǎn)類無(wú)條件跳轉(zhuǎn)無(wú)條件跳轉(zhuǎn)JMPLableLable( (PC) )條件跳轉(zhuǎn)條件跳轉(zhuǎn)JX/JNXLableIf X為真為真/假，則假，則Lable ( (PC) )過(guò)程調(diào)用過(guò)程調(diào)用CALLSub-LableSub-Lable( (PC) )調(diào)用子程序調(diào)用子程序過(guò)程返回過(guò)程返回RET- -返回主程序返回主程序其他其他停機(jī)停機(jī)HLT- -模型機(jī)工作原理模型機(jī)工作原理計(jì)算機(jī)的工作本質(zhì)上就是計(jì)算機(jī)的工作本質(zhì)上就是執(zhí)行程

20、序執(zhí)行程序的過(guò)程。的過(guò)程。一一順序執(zhí)行順序執(zhí)行:一個(gè)具有獨(dú)立功能的程序獨(dú)占處理機(jī)直一個(gè)具有獨(dú)立功能的程序獨(dú)占處理機(jī)直至最終結(jié)果。至最終結(jié)果。二二非順序執(zhí)行非順序執(zhí)行轉(zhuǎn)移（轉(zhuǎn)移（jump）：執(zhí)行條件）：執(zhí)行條件/無(wú)條件轉(zhuǎn)移指令，不返回?zé)o條件轉(zhuǎn)移指令，不返回過(guò)程（過(guò)程（procedure）調(diào)用：主程序調(diào)用子程序后返回?cái)帱c(diǎn)）調(diào)用：主程序調(diào)用子程序后返回?cái)帱c(diǎn)中斷（中斷（interrupt）：外界突發(fā)事件處理完后返回?cái)帱c(diǎn)）：外界突發(fā)事件處理完后返回?cái)帱c(diǎn)異常（異常（ exception）：）： 程序本身產(chǎn)生的某些例外處理完后重新執(zhí)行程序本身產(chǎn)生的某些例外處理完后重新執(zhí)行陷阱陷阱(trap) ： 程序本身產(chǎn)

21、生某些例外條件處理完后返回?cái)帱c(diǎn)程序本身產(chǎn)生某些例外條件處理完后返回?cái)帱c(diǎn)2022-7-421/ 50每條指令執(zhí)行的基本過(guò)程可以分為每條指令執(zhí)行的基本過(guò)程可以分為取指令取指令(fetch)、分析指令、分析指令(decode)和執(zhí)行指令和執(zhí)行指令(execute)三個(gè)階段。三個(gè)階段。程序的執(zhí)行過(guò)程程序的執(zhí)行過(guò)程取指令、分析指令、執(zhí)行指令取指令、分析指令、執(zhí)行指令A(yù)BDBALUA暫存器暫存器標(biāo)志寄存器標(biāo)志寄存器FR寄存器組寄存器組 操作控制器操作控制器OC指令譯碼器指令譯碼器ID指令寄存器指令寄存器IR 操作碼操作碼, 地址碼地址碼內(nèi)部總線內(nèi)部總線地址緩沖器地址緩沖器數(shù)據(jù)緩沖器數(shù)據(jù)緩沖器程序計(jì)數(shù)程序計(jì)

22、數(shù)器器PC地地址址譯譯碼碼讀控制讀控制B0H5CH04H2EH地址地址1001H1002H1003H內(nèi)容內(nèi)容1000H內(nèi)存儲(chǔ)器內(nèi)存儲(chǔ)器MOV 5CH, R1ADD R1, 2EH, R21CPU外外CPU內(nèi)內(nèi)2022-7-422/ 50R1(00)R2(00)R1(5CH)R2(8AH)對(duì)馮對(duì)馮諾依曼體系結(jié)構(gòu)的改進(jìn)諾依曼體系結(jié)構(gòu)的改進(jìn)一一改進(jìn)改進(jìn)CPU指令集指令集 存儲(chǔ)器子系統(tǒng)存儲(chǔ)器子系統(tǒng) 輸入輸入/輸出子系統(tǒng)輸出子系統(tǒng) 二二改變改變改變串行執(zhí)行模式，發(fā)展并行技術(shù)；改變串行執(zhí)行模式，發(fā)展并行技術(shù)；1. 改變控制方式，發(fā)展數(shù)據(jù)、需求、模式等其它驅(qū)動(dòng)方式；改變控制方式，發(fā)展數(shù)據(jù)、需求、模式等其它驅(qū)

23、動(dòng)方式； 3-6章重點(diǎn)章重點(diǎn)指令功能、指令格式、尋址方式指令功能、指令格式、尋址方式 分層結(jié)構(gòu)分層結(jié)構(gòu)高速總線高速總線+多種接口方式多種接口方式 馮馮諾依曼型計(jì)算機(jī)的本諾依曼型計(jì)算機(jī)的本質(zhì)特點(diǎn)質(zhì)特點(diǎn)也造成了其瓶頸：也造成了其瓶頸： 指令執(zhí)行的指令執(zhí)行的串行性串行性 存儲(chǔ)器讀取的存儲(chǔ)器讀取的串行性串行性不同的指令集設(shè)計(jì)策略：不同的指令集設(shè)計(jì)策略：CISC與與RISCCISC（Complex Instruction Set Computer，復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)）復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)） 不斷增強(qiáng)指令的功能以及設(shè)置更復(fù)雜的新指令取代原先由不斷增強(qiáng)指令的功能以及設(shè)置更復(fù)雜的新指令取代原先由程序段完成的功能，從

24、而實(shí)現(xiàn)軟件功能的硬化。程序段完成的功能，從而實(shí)現(xiàn)軟件功能的硬化。RISC（Reduced Instruction Set Computer，精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)）精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)） 通過(guò)減少指令種類和簡(jiǎn)化指令功能來(lái)降低硬件設(shè)計(jì)復(fù)雜度，通過(guò)減少指令種類和簡(jiǎn)化指令功能來(lái)降低硬件設(shè)計(jì)復(fù)雜度，從而提高指令的執(zhí)行速度。從而提高指令的執(zhí)行速度?，F(xiàn)代計(jì)算機(jī)：現(xiàn)代計(jì)算機(jī)：RISC+CISC2022-7-424/ 502022-7-425/ 50CISC的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)思想的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)思想美國(guó)加州大學(xué)美國(guó)加州大學(xué)Berkeley分校的研究結(jié)果表明：分校的研究結(jié)果表明： 許多復(fù)雜指令很少被使用，許多復(fù)雜指令很少被使用，“

25、2-8原則原則”控制器硬件復(fù)雜（指令多，控制器硬件復(fù)雜（指令多，且具有不定長(zhǎng)格式和復(fù)雜的且具有不定長(zhǎng)格式和復(fù)雜的數(shù)據(jù)類型），占用了大量芯數(shù)據(jù)類型），占用了大量芯片面積，且容易出錯(cuò)；片面積，且容易出錯(cuò)；指令操作繁雜，速度慢；指令操作繁雜，速度慢；指令規(guī)整性不好，不利于指令規(guī)整性不好，不利于采用流水線技術(shù)提高性能。采用流水線技術(shù)提高性能。2022-7-426/ 50RISC的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)思想的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)思想RISC機(jī)的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)遵循以下五個(gè)原則：機(jī)的設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)遵循以下五個(gè)原則：指令條數(shù)少，格式簡(jiǎn)單，易于譯碼；指令條數(shù)少，格式簡(jiǎn)單，易于譯碼；提供足夠的寄存器，只允許提供足夠的寄存器，只允許loadload

26、和和storestore指令指令訪問(wèn)內(nèi)存；訪問(wèn)內(nèi)存；指令由硬件直接執(zhí)行，指令由硬件直接執(zhí)行， 在單個(gè)周期內(nèi)完成；在單個(gè)周期內(nèi)完成；充分利用流水線；充分利用流水線；依賴優(yōu)化編譯器的作用；依賴優(yōu)化編譯器的作用；尋址方式簡(jiǎn)單尋址方式簡(jiǎn)單CISC與與RISC的數(shù)據(jù)流的數(shù)據(jù)流IRIDREGALUMEM開(kāi)始退出IRIDALUMEMREG微操作通道開(kāi)始退出單通數(shù)據(jù)通道RISC：Load/Store結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)CISC：尋址方式復(fù)雜：尋址方式復(fù)雜*27/862022-7-427/ 50分層的存儲(chǔ)子系統(tǒng)分層的存儲(chǔ)子系統(tǒng)設(shè)計(jì)目標(biāo)：設(shè)計(jì)目標(biāo)：整個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)速度整個(gè)存儲(chǔ)系統(tǒng)速度接近接近M1而價(jià)格和容量接近而價(jià)格和容量接近M

27、n2022-7-428/ 50對(duì)存儲(chǔ)系統(tǒng)的期望？對(duì)存儲(chǔ)系統(tǒng)的期望？容量大、速度快、價(jià)格合理容量大、速度快、價(jià)格合理解決之道：解決之道： 把不同的存儲(chǔ)設(shè)備按層次結(jié)構(gòu)組織起來(lái)把不同的存儲(chǔ)設(shè)備按層次結(jié)構(gòu)組織起來(lái)其他改善存儲(chǔ)器帶寬的方法其他改善存儲(chǔ)器帶寬的方法并行存儲(chǔ)器并行存儲(chǔ)器雙端口存儲(chǔ)器雙端口存儲(chǔ)器哈佛體系結(jié)構(gòu)哈佛體系結(jié)構(gòu)DSP程序程序Mem數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)MemI/O接口接口外設(shè)外設(shè)程序地址程序地址數(shù)據(jù)讀地址數(shù)據(jù)讀地址數(shù)據(jù)寫地址數(shù)據(jù)寫地址程序讀總線程序讀總線數(shù)據(jù)讀總線數(shù)據(jù)讀總線程序程序/數(shù)據(jù)寫數(shù)據(jù)寫數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)Mem程序程序Mem2022-7-429/ 502022-7-430/ 50現(xiàn)代高速總線現(xiàn)代高速總

28、線高速并行總線高速并行總線高速總線串行化高速總線串行化多級(jí)總線結(jié)構(gòu)多級(jí)總線結(jié)構(gòu)北橋北橋南橋南橋前端總線前端總線Front Side Bus輸入輸入/輸出管理方式輸出管理方式2022-7-432/ 50計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的演進(jìn)：并行處理技術(shù)計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的演進(jìn)：并行處理技術(shù) 指令級(jí)并行技術(shù)指令級(jí)并行技術(shù)ISP流水線流水線、超標(biāo)量超標(biāo)量、超長(zhǎng)指令字、超長(zhǎng)指令字 系統(tǒng)級(jí)并行技術(shù)系統(tǒng)級(jí)并行技術(shù)SLP多處理器多處理器（多機(jī)（多機(jī)/多核）多核）、多磁盤、多磁盤 線程級(jí)并行技術(shù)線程級(jí)并行技術(shù)TLP同時(shí)多線程同時(shí)多線程SMT 電路級(jí)并行技術(shù)電路級(jí)并行技術(shù)CLP組相聯(lián)組相聯(lián)cache、先行進(jìn)位加法器、先行進(jìn)位加法器

29、 并行處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)多個(gè)處理器或處理器模塊的并并行處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)多個(gè)處理器或處理器模塊的并行性，其基本思想包括行性，其基本思想包括時(shí)間重疊時(shí)間重疊（time interleaving）、資源重復(fù)資源重復(fù)（resource replicaiton）和資源共享和資源共享（resource sharing）。流水線技術(shù)流水線技術(shù) 可通過(guò)分割可通過(guò)分割邏輯，插邏輯，插入緩沖寄入緩沖寄存器（流存器（流水線水線Reg）來(lái)構(gòu)建來(lái)構(gòu)建2022-7-434/ 50非流水邏輯非流水邏輯流水邏輯流水邏輯功能功能分割分割保存流水段數(shù)據(jù)保存流水段數(shù)據(jù)指令的硬件實(shí)現(xiàn)指令的硬件實(shí)現(xiàn)指令時(shí)空?qǐng)D指令時(shí)空?qǐng)D順序順序執(zhí)行執(zhí)行4級(jí)流級(jí)流

30、水線水線執(zhí)行執(zhí)行流水線滿載流水線滿載2022-7-435/ 50時(shí)間重疊，時(shí)間重疊，性能提高！性能提高！更細(xì)的流水線更細(xì)的流水線取指（取指（FI）指令譯碼（指令譯碼（DI）計(jì)算操作數(shù)地址（計(jì)算操作數(shù)地址（CO）取操作數(shù)（取操作數(shù)（FO）執(zhí)行指令（執(zhí)行指令（EI）寫操作數(shù)（寫操作數(shù)（WO）36/862022-7-436/ 50流水線流水線CPU的特點(diǎn)的特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 通過(guò)指令級(jí)并行來(lái)提高性能。通過(guò)指令級(jí)并行來(lái)提高性能。缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：增加了硬件成本。增加了硬件成本。流水寄存器會(huì)引入延遲和時(shí)鐘偏移，這些額外流水寄存器會(huì)引入延遲和時(shí)鐘偏移，這些額外開(kāi)銷會(huì)使每條指令的執(zhí)行時(shí)間有所增加，同時(shí)開(kāi)銷會(huì)使每條指

31、令的執(zhí)行時(shí)間有所增加，同時(shí)限制了流水線的深度。限制了流水線的深度。 1. 流水線中各段的操作存在關(guān)聯(lián)（流水線中各段的操作存在關(guān)聯(lián)（dependence）時(shí)可能會(huì)引起流水線中斷，從而影響流水線）時(shí)可能會(huì)引起流水線中斷，從而影響流水線的性能和效率。的性能和效率。*37/862022-7-437/ 50加快指令的加快指令的執(zhí)行執(zhí)行插入了流水寄存器及相插入了流水寄存器及相關(guān)控制邏輯關(guān)控制邏輯流水線沖突流水線沖突理想流水線的性能：每個(gè)時(shí)鐘周期完成一條指令理想流水線的性能：每個(gè)時(shí)鐘周期完成一條指令實(shí)際流水機(jī)器中可能存在實(shí)際流水機(jī)器中可能存在冒險(xiǎn)冒險(xiǎn)(hazard)導(dǎo)致停頓：導(dǎo)致停頓： 數(shù)據(jù)沖突（數(shù)據(jù)沖突（

32、如后面的計(jì)算要用到前面的結(jié)果）如后面的計(jì)算要用到前面的結(jié)果）定向技術(shù)可將結(jié)果數(shù)據(jù)從其產(chǎn)生的地方直接傳送到所有定向技術(shù)可將結(jié)果數(shù)據(jù)從其產(chǎn)生的地方直接傳送到所有需要它的功能部件需要它的功能部件編譯器可利用流水線調(diào)度（編譯器可利用流水線調(diào)度（scheduling）技術(shù)來(lái)重新組）技術(shù)來(lái)重新組織指令順序織指令順序結(jié)構(gòu)沖突（結(jié)構(gòu)沖突（硬件資源不夠）硬件資源不夠）增加額外的同類型資源增加額外的同類型資源改變資源的設(shè)計(jì)使其能被同時(shí)使用改變資源的設(shè)計(jì)使其能被同時(shí)使用控制沖突（控制沖突（分支等跳轉(zhuǎn)指令引起分支等跳轉(zhuǎn)指令引起 ）可采用分支預(yù)測(cè)及預(yù)測(cè)執(zhí)行技術(shù)最大限度地使處理器各可采用分支預(yù)測(cè)及預(yù)測(cè)執(zhí)行技術(shù)最大限度地使

33、處理器各部分保持運(yùn)行狀態(tài)。部分保持運(yùn)行狀態(tài)。多端口的寄存器堆哈佛結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)器、超標(biāo)量2022-7-438/ 50流水線數(shù)據(jù)沖突及解決方案流水線數(shù)據(jù)沖突及解決方案2022-7-439/ 50亂序執(zhí)行亂序執(zhí)行定向技術(shù)定向技術(shù)流水流水Reg流水線結(jié)構(gòu)沖突流水線結(jié)構(gòu)沖突一一例如，訪存沖突例如，訪存沖突只有一個(gè)存儲(chǔ)器，若不同指令只有一個(gè)存儲(chǔ)器，若不同指令的訪存操作在流水線的不同部件里同時(shí)發(fā)生，則產(chǎn)的訪存操作在流水線的不同部件里同時(shí)發(fā)生，則產(chǎn)生結(jié)構(gòu)沖突。生結(jié)構(gòu)沖突。超標(biāo)量超標(biāo)量CPU的體系結(jié)構(gòu)的體系結(jié)構(gòu)超標(biāo)量技術(shù)：超標(biāo)量技術(shù)：可在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)對(duì)多條指令進(jìn)行并可在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)對(duì)多條指令進(jìn)行并行處理，使行處

34、理，使CPI小于小于1；特點(diǎn)：特點(diǎn)：處理器中有兩個(gè)或兩個(gè)以上的相同的功能部件；處理器中有兩個(gè)或兩個(gè)以上的相同的功能部件； 要求操作數(shù)之間必須沒(méi)有相關(guān)性；要求操作數(shù)之間必須沒(méi)有相關(guān)性；整數(shù)指令整數(shù)指令浮點(diǎn)指令浮點(diǎn)指令2022-7-441/ 50超標(biāo)量流水線超標(biāo)量流水線有有5個(gè)執(zhí)行單元的超標(biāo)量流水線個(gè)執(zhí)行單元的超標(biāo)量流水線有有2套硬件的套硬件的超標(biāo)量流水超標(biāo)量流水線線CPU 共用一個(gè)取指單元的共用一個(gè)取指單元的5段雙流水線段雙流水線2022-7-442/ 50?超標(biāo)量處理機(jī)一超標(biāo)量處理機(jī)一般概念性結(jié)構(gòu)般概念性結(jié)構(gòu)instruction fetching多個(gè)流水線讀取及轉(zhuǎn)移預(yù)測(cè)邏輯多個(gè)流水線讀取及轉(zhuǎn)

35、移預(yù)測(cè)邏輯instruction decoding并行譯碼器，預(yù)譯碼技術(shù)并行譯碼器，預(yù)譯碼技術(shù)instruction dispatching動(dòng)態(tài)規(guī)劃動(dòng)態(tài)規(guī)劃instruction execution多個(gè)流水線功能單元多個(gè)流水線功能單元instruction completion暫存結(jié)果數(shù)據(jù)暫存結(jié)果數(shù)據(jù)instruction retiring真正更新真正更新Reg和和Mem中的結(jié)果數(shù)據(jù)中的結(jié)果數(shù)據(jù) 超標(biāo)量結(jié)構(gòu)機(jī)器的例子超標(biāo)量結(jié)構(gòu)機(jī)器的例子 兩條輸入流水線三條執(zhí)行流水線每個(gè)時(shí)鐘周期可每個(gè)時(shí)鐘周期可從存儲(chǔ)器中獲取從存儲(chǔ)器中獲取兩條指令兩條指令用于執(zhí)行不需要訪用于執(zhí)行不需要訪問(wèn)存儲(chǔ)器的指令問(wèn)存儲(chǔ)器的指

36、令可處理所有需要或不需可處理所有需要或不需要訪問(wèn)存儲(chǔ)器的指令要訪問(wèn)存儲(chǔ)器的指令可用于進(jìn)行乘、除類可用于進(jìn)行乘、除類較復(fù)雜的算術(shù)運(yùn)算較復(fù)雜的算術(shù)運(yùn)算決定應(yīng)使用哪一決定應(yīng)使用哪一條執(zhí)行流水線條執(zhí)行流水線2022-7-444/ 502022-7-445/ 50 超長(zhǎng)指令字超長(zhǎng)指令字VLIW（Very Long Instruction Word）依靠編依靠編譯器譯器在編譯時(shí)找出指令之間潛在的并行性，并通過(guò)指令調(diào)度把在編譯時(shí)找出指令之間潛在的并行性，并通過(guò)指令調(diào)度把可能出現(xiàn)的數(shù)據(jù)沖突減少到最小，最后把能并行執(zhí)行的多條指可能出現(xiàn)的數(shù)據(jù)沖突減少到最小，最后把能并行執(zhí)行的多條指令組裝成一條很長(zhǎng)的指令，然后由處

37、理機(jī)中多個(gè)令組裝成一條很長(zhǎng)的指令，然后由處理機(jī)中多個(gè)相互獨(dú)立的執(zhí)相互獨(dú)立的執(zhí)行部件行部件分別執(zhí)行長(zhǎng)指令中的一個(gè)操作，即相當(dāng)于同時(shí)執(zhí)行多條分別執(zhí)行長(zhǎng)指令中的一個(gè)操作，即相當(dāng)于同時(shí)執(zhí)行多條指令。指令。 VLIW處理機(jī)能否成功，很大程度上取決于代碼壓縮的效率，處理機(jī)能否成功，很大程度上取決于代碼壓縮的效率，其其編譯程序和體系結(jié)構(gòu)編譯程序和體系結(jié)構(gòu)的的關(guān)系非常密切，缺乏對(duì)傳關(guān)系非常密切，缺乏對(duì)傳統(tǒng)軟件和硬件的兼容，因統(tǒng)軟件和硬件的兼容，因而不大適用一般應(yīng)用領(lǐng)域。而不大適用一般應(yīng)用領(lǐng)域。 VLIW處理機(jī)處理機(jī)2022-7-446/ 50多機(jī)并行系統(tǒng)多機(jī)并行系統(tǒng)大規(guī)模并行處理機(jī)（大規(guī)模并行處理機(jī)（MPP）

38、是是一種價(jià)格昂貴的超級(jí)計(jì)算機(jī)，它由許一種價(jià)格昂貴的超級(jí)計(jì)算機(jī)，它由許多多CPU通過(guò)高速專用互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)連接。通過(guò)高速專用互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)連接。機(jī)群（機(jī)群（cluster）由多臺(tái)同構(gòu)或異構(gòu)的獨(dú)立計(jì)算機(jī)通過(guò)高性能網(wǎng)絡(luò)或局由多臺(tái)同構(gòu)或異構(gòu)的獨(dú)立計(jì)算機(jī)通過(guò)高性能網(wǎng)絡(luò)或局域網(wǎng)連在一起協(xié)同完成特定的并行計(jì)算任務(wù)。域網(wǎng)連在一起協(xié)同完成特定的并行計(jì)算任務(wù)。刀片（刀片（blade）通常指包含一個(gè)或多個(gè)通常指包含一個(gè)或多個(gè)CPU、內(nèi)存以及網(wǎng)絡(luò)接口的服務(wù)、內(nèi)存以及網(wǎng)絡(luò)接口的服務(wù)器主板。通常一個(gè)刀片柜共享其它外部器主板。通常一個(gè)刀片柜共享其它外部I/O和電源，而輔助存儲(chǔ)器則有距離和電源，而輔助存儲(chǔ)器則有距離刀片柜較近的存儲(chǔ)服務(wù)器

39、提供。刀片柜較近的存儲(chǔ)服務(wù)器提供。網(wǎng)格（網(wǎng)格（Network）是一組由高速網(wǎng)絡(luò)連接的不同的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，可以是一組由高速網(wǎng)絡(luò)連接的不同的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，可以相互合作也可獨(dú)立工作。網(wǎng)格計(jì)算機(jī)將接受中央服務(wù)器分配的任務(wù)，然后在相互合作也可獨(dú)立工作。網(wǎng)格計(jì)算機(jī)將接受中央服務(wù)器分配的任務(wù)，然后在不忙的時(shí)候（如晚上或周末）執(zhí)行這些任務(wù)。不忙的時(shí)候（如晚上或周末）執(zhí)行這些任務(wù)。2022-7-447/ 50多核處理器多核處理器資源重復(fù)資源重復(fù)資源共享資源共享多線程技術(shù)多線程技術(shù)單片多處理器單片多處理器(Chip MulitProcessor，CMP)問(wèn)題問(wèn)題：晶體管數(shù)量、芯片面積及芯片發(fā)熱量晶體管數(shù)量、芯片面積及芯片發(fā)熱量多線程處理器多線程處理器(Multithreaded Processor)細(xì)粒度多線程細(xì)粒度多線程(Fine-Grail Multithreading)在每個(gè)指令在每個(gè)指令中切換線程中切換線程，處理器必須能在每個(gè)