嵌入式知识清单学习（二）

配合PPT Le03_microprocessor

第3讲微处理器及其架构

基本概念

微处理器MPU/CPU
CPU(Central Processing Unit) 是一台计算机的运算核心和控制核心。CPU由运算器、控制器和寄存器及实现它们之间联系的数据、控制及状态的总线构成。差不多所有的CPU的运作原理可分为四个阶段：提取(Fetch)、解码(Decode)、执行(Execute)和写回(Writeback)。 CPU从存储器或高速缓冲存储器中取出指令，放入指令寄存器，并对指令译码，并执行指令。所谓的计算机的可编程性主要是指对CPU的编程

！！CPU最基本组成部分逻辑框图！！（包含逻辑模块、连接关系和模块功能）在这里插入图片描述
MPU (Micro Processor Unit)微处理器,通常代表一个功能强大的CPU,但不是为任何已有的特定计算目的而设计的芯片。这种芯片往往是个人计算机和高端工作站的核心CPU。MCU(Micro Control Unit)微控制器，是指随着大规模集成电路的出现及其发展，将计算机的CPU、RAM、ROM、定时计数器和多种I/O接口集成在一片芯片上，形成芯片级的芯片，比如51，AVR、Cortex-M这些芯片，内部除了CPU外还有RAM、ROM，可以直接加简单的外围器件(电阻，电容)就可以运行代码了。而如x86、ARM这些MPU就不能直接放代码了，它只不过是增强版的CPU，所以得添加RAM，ROM。

基本原理

指令控制

算数/逻辑运算单元ALU

采用全加器和先行进位逻辑电路进行组合实现高速运算功能。
在中央处理器中，累加器ACC(accumulator) 是一种寄存器，用来储存计算产生的中间结果。
全加器
运算器
定点、浮点运算器结构图
标志寄存器中标志含义：
1）零标志位（Z）：当运算结果为 0 时，Z 位置“1”；
2）负标志位（N）：当运算结果为负时，N 位置“1”；
3）溢出标志位（V）：当运算结果发生溢出时，V 位置“1”；
4）进位或借位标志（C）：在做加法时，如果运算结果最高有效位（对于有符号数来说，即符号位；对无符号数来说，即数值最高位）向前产生进位时，C 位置“1”；无进位时，置“0”。在做减法时，如果不够减，最高有效位向前有借位（这时向前无进位产生）时，C 位置“1”；无借位（即有进位产生）时，C 位置“0”。
定点与浮点部件

寄存器

CPU会设置哪些寄存器：

通用寄存器组
AX(AH、AL)：累加器。有些指令约定以AX(或AL)为源或目的寄存器。输入/输出指令、目的操作数只能是AL/AX，而不能是其他的寄存器。
BX(BH、BL)：基址寄存器。BX可用作间接寻址的地址寄存器和基地址寄存器，BH、BL可用作8位通用数据寄存器。
CX(CH、CL)：计数寄存器。CX在循环和串操作中充当计数器，指令执行后CX内容自动修改，因此称为计数寄存器。
DX(DH、DL)：数据寄存器。除用作通用寄存器外，在1/O指令中可用作端口地址寄存器，乘除指令中用作辅助累加器。
指针和变址寄存器
这组寄存器存放的内容是某一段内地址偏移量，用来形成操作数地址，主要在堆栈操作和变址运算中使用
段寄存器
指令指针寄存器IP
标志寄存器FR

控制器（由指令部件、时序部件和操作控制部件组成）：

① 指令部件：指令部件的主要功能是取指令和分析指令。它由指令指针IP（也叫指令计数器IC或程序计数器PC）、指令寄存器IR、指令译码器、地址计算部件组成。其中：
●指令指针IP的功能是指出当前指令的地址。它有加1功能，通常每取一条指令后自动加1，以指出下条指令的地址。遇到特殊情况（如转移）可通过地址计算部件形成下一条指令的地址。
●指令寄存器IR保存由存储器取来的指令，并分别把操作码OP和操作数地址AD送指令译码和地址计算部件。
●指令译码器(Instruction Decoder,ID)。计算机能且只能执行“指令”。指令由操作码和地址码组成。操作码表示要执行的操作性质，即执行什么操作，或做什么；地址码是操作码执行时的操作对象的地址。计算机执行一条指定的指令时，必须首先分析这条指令的操作码是什么，以决定操作的性质和方法，然后才能控制计算机其他各部件协同完成指令表达的功能。这个分析工作由指令译码器来完成。
●地址计算部件的作用是对指令中地址码进行（变址、间址等）运算，求出的操作数地址送存储器以取出数据；或者把转移指令中指出的下一条指令地址送IP。
② 时序部件：时序部件也叫节拍发生器，它能为各部件提供一个时间基准。时钟频率（如800MHz，1GHz，2 GHz，2.4 GHz，3 GHz…）越高，计算机的工作速度就越快。
③ 操作控制部件：该部件的功能是根据指令译码器的规定内容，在规定的节拍内向有关部件发出操作控制信号。
数据通路
数据在功能部件之间传送的路径称为数据通路，路径上的部件称为数据通路部件，如ALU、通用寄存器等。数据通路的功能是实现 CPU 内部的运算器与寄存器及寄存器之间的数据交换
数据通路描述了信息从什么地方开始，中间经过哪个寄存器或多路开关，最后传送到哪个寄存器。数据通路中专门进行数据运算的部件称为执行部件或功能部件；数据通路由控制部件控制。
数据通路的基本结构有 CPU 内部单总线方式、CPU 内部三总线方式和专用数据通路方式。

指令的执行过程

指令规定的内容是通过控制器执行的，计算机执行一条指令的步骤如下：
① 把指令指针IP中的指令地址送存储器，从该地址取出指令送指令寄存器IR；
② 地址计算部件，根据IR中的地址码形成操作数地址送存储器，从该地址取出数据，送到运算器中的寄存器（或寄存器组）；
③ 将IR中的操作码OP送指令译码器进行译码；
④ 在控制器发出的操作信号的控制下，计算机各有关部件执行操作码OP规定的操作；
⑤ 指令指针IP加1，形成下一条指令地址。如遇到转移指令，则按转移指令对状态标志寄存器测试的结果，决定是否将转移指令中指出的指令地址送指令指针IP。

指令流水线