嵌入式微处理器系统

1. 嵌入式微处理器系统 第二章 处理器技术（1） 北京大学软件与微电子学院

2. 相关技术 本章参考书： 《计算机系统结构》郑纬民等译，电子工业出版社，2004. 7 《高性能微处理器：技术与结构》张民选，王永文，国防科技大学出版社，2004. 3 北京大学软件与微电子学院

3. 技术与结构 除了处理器主频外，还有哪些处理器特征 影响程序执行的速度？ 北京大学软件与微电子学院

4. 相关技术 • 指令集 • 流水线技术 • 小结 北京大学软件与微电子学院

5. 指令集（1） 指令？ 汇编语句=指令？ 北京大学软件与微电子学院

6. 指令集（2） • 指令形式 • 机器语言 由CPU理解和执行的二进制代码 • 机器指令的格式（助记符） 北京大学软件与微电子学院

7. 指令集（3） • 指令集 • 所有在处理器上可以执行的指令 • 在处理器上运行的程序由指令组成 • 面向程序员以及编译器开发者 • 因处理器的而异 北京大学软件与微电子学院

8. 指令集（4） • 指令集结构 • 按CPU内部存储类型 • 使用堆栈 隐含的操作数在堆栈的栈顶 • 使用累加器 一个隐含的操作数是累加器 （C51，X86） • 使用寄存器 必须明确操作数（寄存器或内存地址） 北京大学软件与微电子学院

9. 指令集（5） • 指令集结构 • 按CPU内部存储类型 • 使用寄存器 • 寄存器-寄存器：ALU指令通常有三个操作数 （ARM, MIPS） • 寄存器-存储器（register-memory）：ALU指令通常有两个操作数，一个为寄存器，另一个为存储器。任何一条指令都可以访问内存（X86, 68000, C54X） • 存储器-存储器：ALU指令通常有三个操作数，且都是存储器操作。 载入-存储（load/store）常用于哪种指令结构？ 北京大学软件与微电子学院

10. 指令集（6） • 指令集系统结构（续） • 例：c=a+b 不同指令类型的实现 • 堆栈 Push a Push b Add Pop c a，b，c 三个变量存放在哪儿？ 北京大学软件与微电子学院

11. 指令集（7） • 指令集系统结构（续） • 累加器 Load a add b store c 北京大学软件与微电子学院

12. 指令集（8） • 指令集系统结构（续） • Register-Memory Load R1, a add R3, R1, b store R3, c 北京大学软件与微电子学院

13. 指令集（9） • 指令集系统结构（续） • Register-Register Load R1, a Load R2, b add R3, R1, R2 store R3, c 北京大学软件与微电子学院

14. 指令集（10） • 指令集系统结构（续） • Register-Register vs Register-Memory 北京大学软件与微电子学院

15. 指令集（11） • 寻址技术 • 定义 寻找数据地址的技术 • 编址单元宽度 • 字节（8bit，0x86） • 半字 （C54） • 字 （C30） • 双字 北京大学软件与微电子学院

16. 指令集（12） • 寻址方式（续） • 地址空间（独立编址） • 三个地址空间 • 通用寄存器 • 主存储器 • I/O设备 • 两个地址空间 • 通用存储器 • 主存储器与IO设备 • 一个地址空间 • 所有存储设备统一编址 • 隐含编址方式 如果有多个地址空间，在指令中如何体现？ 北京大学软件与微电子学院

17. 指令集（13） • 寻址技术（续） • 寻址方式 • 定义：获取访问对象地址的方法 • 立即数寻址 • 直接在指令的地址码部分给出操作数 • 用于程序中的常数 • 优点：不需要数据存储单元，执行速度快 • 缺点：只能作为源操作数，数据长度有限 • 例： ADD R4，#5 ； reg（R4）〈- reg（R4）+5 北京大学软件与微电子学院

18. 指令集（14） • 寻址技术（续） • 寻址方式（续） • 寄存器寻址 • 操作数来源于寄存器，结果也保存在寄存器中 • 指令格式 • 一地址：OPC R • 二地址：OPC R，R OPC R，M • 三地址：OPC R，R，R • 例： ADD R4，R3 ； reg（R4）〈- reg（R4）+reg（R3） 北京大学软件与微电子学院

19. 指令集（15） • 寻址技术（续） • 寻址方式（续） • 直接寻址（绝对） • 直接给出参加运算的操作数及运算结果所存放的地址 • 指令格式 • 一地址：OPC M • 二地址：OPC M，M 三地址：OPC M，M，M • 例： ADD R1，（1001）； reg（R1）〈- reg（R1）+ Mem（1001） 北京大学软件与微电子学院

20. 指令集（16） • 寻址技术（续） • 寻址方式（续） • 间接寻址 • 出参加运算的操作数地址的地址 • 寄存器间接寻址 ADD R4，（R1）；reg（R4）〈- reg（R4）+ Mem（reg（R1））； • 存储器间接寻址 ADD R1，@(R2)； reg（R1）〈- reg（R1）+ Mem[Mem[reg（R2）]] 北京大学软件与微电子学院

21. 指令集（17） • 寻址技术（续） • 寻址方式（续） • 自动递增寻址 • 执行指令后，地址寄存器中的值自动增加 • 例： ADD R1，（R2）+ • 自动递减寻址 • 执行指令后，抵制寄存器中的值自动减少 • 例： ADD R1，-（R2） 北京大学软件与微电子学院

22. 指令集（18） • 寻址技术（续） • 寻址方式（续） • 堆栈寻址 • 隐含操作数的地址 • 一般格式 • OPC • OPC M • 例： PUSH R1 POP R1 北京大学软件与微电子学院

23. 指令集（19） • 寻址技术（续） • 寻址方式（续） • 偏移量寻址 • 带偏移量的间接寻址 • 例： ADD R4，100（R1）； reg（R4）〈- reg（R4）+ Mem（100+reg(R1)） 北京大学软件与微电子学院

24. 指令集（20） • 寻址技术（续） • 寻址方式（续） • 索引寻址 • reg（R4）〈- reg（R4）+ Mem（reg(R2)+reg(R1)） • 缩放寻址 • reg[R1]<-reg[R1]+Mem[100+reg[R2]+reg[r3]*d] 这两种寻址方式有什么特别用途？ 北京大学软件与微电子学院

25. 指令集（21） • 寻址技术（续） • 寻址方式（续） • 最常用的寻址方式 • 偏移量寻址 • 立即数寻址 • 寄存器间接寻址 三种寻址方式的使用率之和占 75%以上 北京大学软件与微电子学院

26. 指令集（22） • 如设计指令集？ • 根据指令行为权衡指令设计 • 指令使用频率 • 数据类型的访问频率 • 寻址方式的分析 • 立即数的范围 • 偏移量的统计 北京大学软件与微电子学院

27. 指令集（23） • 如设计指令集？ • 指令兼容 • 二进制兼容技术 • 软件解释器 用程序每次读入旧体系结构的一条指令，在软件维护的就体系结构上依次执行每个操作. (Dos 虚拟机） • 微代码仿真器 在软件解释基础上，在一些硬件辅助下快速译码旧指令。 （VAX中的 PDP-11兼容模式） 北京大学软件与微电子学院

28. 指令集（24） • 如设计指令集？ • 指令兼容 • 二进制兼容技术 • 二进制编译 把旧体系的程序行为用新体系结构指令序列再现 （转换程序，难度在哪里？ ） • 多媒体指令扩展 • 例 • MAX -Multimedia Acceleration eXtension (PA-RISC, HP) • VIS-Visual Instruction Set (UltraSPARC, SUN) • MMX-MultiMedia eXtension (Pentium, Intel) 北京大学软件与微电子学院

29. 指令集（25） • 如设计指令集？ • 多媒体指令扩展 • 子字算术指令 • 数据重整指令 • 格式化指令 • 条件指令 • 存储指令 • 复杂指令 北京大学软件与微电子学院

30. 指令集（26） • 指令格式的设计 • 指令组成 • 操作码 • 操作种类 • 操作数的数据类型 • 操作数 • 地址 • 地址附加信息 • 寻址方式 北京大学软件与微电子学院

31. 指令集（27） • 指令格式的设计 • 操作码表示方法 • 固定长度 • 规整 • 硬件译码简单 • 多数RISC采用 • Huffman编码 • 不同的操作码长度不同 • 使用频率高的码长小 • 空间利用率高 • 扩展编码 • 部分固定长度，部分Huffman编码 北京大学软件与微电子学院

32. 指令集（28） • 指令格式的设计 • 操作码类型 • 运算 • 数据传送 • 移位 • 转移 • I/O 北京大学软件与微电子学院

33. 指令集（29） • 指令集的功能设计 • 功能的基本要求 • 完整性 包括所有的操作类型和方式 • 规整性 • 对称性：各种与指令系统有关的数据存储设备的使用、操作码的设置都要对称。 例：C30中R0-R7功能完全一致 A-B和 B-A • 均匀性：对于不同的数据类型、字长、操作种类和数据存储设备，指令的设置要同等对待 例：有5种数据表示，4种字长，8种存储设备的两地址加法指令数有 5 X 4 X 8=160种 北京大学软件与微电子学院

34. 指令集（30） • 指令集的功能设计（续） • 功能的基本要求（续） • 高效率 指令执行速度快，使用频度高（RISC） • 兼容性 • 新的指令集对旧指令的兼容 • 指令集兼容实现执行程序（目标码）在不同平台上运行 例： X86系列处理器 TC55与C54 北京大学软件与微电子学院

35. 指令集（31） • 指令集的功能设计（续） • 指令类型 • 数据传送指令考虑的因素 • 存储设别种类 • 寄存器 • 主存 • I/O • 数据传送单位 • 字 • 字节 • 数据块 • 寻址方式 北京大学软件与微电子学院

36. 指令集（32） • 指令集的功能设计（续） • 指令类型 • 常用数据传送指令种类 • Register -〉Register • Register -〉Memory • Register -〉Stack • Memory -〉Register • Memory -〉Memory • Memory -〉Stack • Stack -〉Memory 北京大学软件与微电子学院

37. 指令集（33） • 指令集的功能设计（续） • 指令类型 • 运算指令考虑的因素 • 操作种类 • 算术 • 逻辑 • 移位 • 数据表示 • 定点 • 浮点 • 逻辑 • 数据长度 • 数据存储设备 北京大学软件与微电子学院

38. 指令集（34） • 指令集的功能设计（续） • 指令类型 • 常用运算指令种类 • R-R，w，fixed （float） • R-R，D，fixed （float） • R-R，H，fixed • R-R，B，fixed • R-M，w，fixed （float） • R-M，D，fixed （float） • R-M，H，fixed • R-M，B，fixed 北京大学软件与微电子学院

39. 指令集（35） • 指令集的功能设计（续） • 指令类型 • 移位指令的三个因素 • 移位方向 • Left • Right • 移位种类 • 算术（A） • 逻辑（L） • 循环（R） • 移位长度 • 单字（W） • 双字（D） 北京大学软件与微电子学院

40. 指令集（36） • 指令集的功能设计（续） • 指令类型 • 常用移位种类 • SLAW（D） • SRAW（D） • SLLW（D） • SLAW（D） • SLRW（D） • SRRW（D） 例 RL A （MSC51） LSR Rd，Rs （Thumb） 北京大学软件与微电子学院

41. 指令集（37） • 指令集的功能设计（续） • 指令类型 • 程序控制指令 • 类型 • 转移指令（无条件、有条件） 例：JMP （MSC51），B（ARM） • 程序调用和返回 例：CALL，RET, RETI （C30） • 循环控制 例：RPTB • 转移条件（状态寄存器中的位） • Z • N • C • V 北京大学软件与微电子学院

42. 指令集（38） • 指令集的功能设计（续） • 指令类型 • I/O • 内存访问 • 专用指令 例：Portw add portr add (C54) 北京大学软件与微电子学院

43. 指令集（39） • RISC • 历史 • RISC I, David A Patterson, 1981 (Berkeley) • MIPS, Hennessy, 1981 (Stanford) • MIPS2000, Moussouris, 1986 • SPARC, Sun Microsystem,1987 • HP Precision, HP, 1989 • RS 6000, IBM, 1990 • ARM, ARM Limited, 1990 北京大学软件与微电子学院

44. 指令集（40） • RISC • 特点 • 大多数指令在单周期内完成 • 采用LOAD/STORE结构 • 硬布线控制逻辑 • 减少指令和寻址方式 • 固定的指令格式 • 面向寄存器结构 • 采用流水线技术 • 重视优化技术 北京大学软件与微电子学院

45. 指令集（41） • RISC • 与CISC的比较（典型应用） 北京大学软件与微电子学院

46. 指令集（42） • 指令技术发展 • CISC -> RISC -> (?) ISC ? • Instruction accelerating for special application? • Reconfigurable Instruction Set ? 自定义指令集？ 北京大学软件与微电子学院

47. 指令集（43） • 小结 • 指令格式 • 指令系统结构 • 寻址技术 • 指令设计 • RISC指令 • 指令技术发展方向 北京大学软件与微电子学院

48. 指令集（44） • 问题（作业） • 假设a，b，c，d，e都是内存中的值，操作码的长度为8位，内存地址32位，寄存器地址6位。 • 针对三种不同存储类型的指令集，为了计算c=a+b，每条指令长度是多少，总代码长度是多少？ • 某些指令在计算过程中会修改操作数的值，针对三种指令结构中的情况，写出计算c=a+b, d=a-e的代码序列。标出运算过程中每个被改写的操作数。总代码大小是多少，从内存中读出和存入的指令和数据的总字节数是多少？ 北京大学软件与微电子学院

49. 相关技术 • 指令集 • 流水线技术 • 小结 北京大学软件与微电子学院

50. 相关技术 什么是流水线？ 为什么要用流水线？ 实现流水线需要硬件资源吗？ 北京大学软件与微电子学院