微处理器系统结构与嵌入式系统设计笔记（三）

1.微处理器体系结构

• 处理器体系结构由抽象的指令系统、逻辑元件和存储元件组成。
• 处理器的主要功能部件：算术逻辑单元（ALU）、寄存器组、内总线和控制器。
• 数据通路：计算机中的计算部分称为数据通路，由ALU、寄存器组、内总线三个部件组成，包括它们之间的通信通路。
  控制器：实现信息传送要靠为控制命令的控制，因此在处理器中设置微控制命令产生部件，这便是控制器。

2.处理器设计技术

从处理器设计和实现的角度考虑，由于数据通路设计较规范，而控制器却会因处理器的性能不同而有较大差异，所以这里着重讨论控制器部分的设计技术。

2.1 随机逻辑控制器设计

• 随机逻辑控制器的基本原理：采用组合逻辑控制方式的控制器称为随机逻辑（硬连线、组合逻辑）控制器。
• 随即逻辑控制器的硬件特点：
  • ①逻辑门的最小化
  • ②优化硬件时序以增强性能
  • ③采用简单的指令集
• 随机逻辑处理器的结构：
  程序计数器（PC）存放着下一条指令的地址，指令寄存器存放着当前正在执行的指令。
• 随机逻辑处理器指令集的设计：在随机逻辑的指令集中，可以使用以下四种类型的指令
  • ①分支指令
  • ②存储器引用指令
  • ③ALU指令
  • ④设置指令

2.2 微程序控制器结构及设计

为了改进硬连线控制器的硬件电路复杂、改动困难等缺点，人们提出微码控制器的设计思路。

• 微程序控制器额工作原理：微程序控制是指每一条机器指令的执行用一个微指令序列组成的微码来控制。
• 微码控制器结构设计：
  在微码结构中，控制单元的输入和输出之间的关系被视为一个内存系统，控制信号存放在一个微程序内存里。在指令执行过程中的每一个时钟周期，从微程序内存里读取一个（微）控制字作为指令执行的控制信号。
  微码结构的指导思想：用软件方法组织和控制数据处理系统的信息传送，并最终用硬件实现。

3.指令系统设计

硬件能够直接识别和执行的只有机器语言。

• 指令字由操作码、操作数和操作数地址等字段组成。
• 指令开头处的操作码决定其后跟随的操作数的个数。
• 寻址方式

4.流水线技术

为了克服冯·诺依曼模型计算机的处理器与存储器间的数据传送和指令串行执行这两大瓶颈，改善系统性能，人们提出了许多改进方案，流水线技术便是其中一种。

• 延迟：是指单位数据信号从数据电路的一端抵达另一端所经历的时间，这里是从头到尾执行一条指令所需要的时间。
• 吞吐量：是指信道在单位时间内成功传输的总信息量，一个指令流水线的吞吐量定义为单位时间内完成的指令数。
• 指令流水线基本原理：将指令执行过程细化成若干个操作阶段，各个操作阶段可同时处理不同指令的操作，以提高程序执行的性能。虽然单条指令执行时间未减少，但由于指令流水线多条指令的执行过程重叠，程序执行时间大大减少。
• 流水线的局限性：
  • 流水线各阶段性能的差异，运行时钟的速率是由最慢阶段的延迟限制的。
  • 流水线过深，速率可能下降。
• 流水线性能指标：
  • 吞吐量：是指单位时间内流水线能够处理的任务数或流水线能输出的结果的数量，用T_p表示。
    T_p=n/T_流水 =1/{[1+(m-1)/n]△t}， 其中流水线m段，流水线指令n条，各段时长为△t。
  • 加速比：是指流水线工作方式下处理任务的速度与等效的顺序串行工作方式下处理任务的速度比，用S_p表示。
    S_p=T_串行/T_流水=m/(1+(m-1)/n)，参数同上。
  • 效率：流水线上的各段并不总是满负荷工作的，其上设备的利用率就是效率，用E表示。
    E=n条指令完成时间内占用的时空区/n条指令完成时间内的总时空区=1/(1+(m-1)/n)
• 指令流水线的相关及处理
  • 结构相关及处理
    结构相关是指流水线中不同指令因为操作重叠，引起某些段在同一拍争用同一功能部件或同一数据通路的现象，结构相关又称资源相关。
    处理方法：处理器采用多总线通路或专用通路结构，使各个段的操作所使用的数据通路相互独立即可。
  • 数据相关及处理
    数据相关是指流水线中不同指令因为操作重叠，引起对同一寄存器或存储单元访问次序的改变，而部分改变会产生冲突现象。
    处理方法：定向技术或调度技术。
  • 控制相关及处理
    控制相关是指流水线中转移型指令无法立即给出分支目标处指令地址、而取指阶段又立即要求获得后继指令地址导致的冲突。
    处理方法：冻结法、延迟转移法和分支预测法。

5.典型微处理体系结构。

5.1 ARM体系结构

5.2 Intel x86体系结构