計算機系統組成與工作原理(編輯修改稿)

　

【文章內容簡介】 理完后重新執行 5. 陷阱 (trap) ： 程序本身產生某些例外條件處理完后返回斷點 26 林水生 2021 微處理器系統結構與嵌入式系統設計 電子科技大學 通信與信息工程學院 程序的執行過程 取指令、分析指令、執行指令 AB DB ALU 累加器 ACC 暫存器 標志寄存器 FR 寄存器組 操作控制器 OC 指令譯碼器 ID 指令寄存器 IR 操作碼 , 地址碼 內部總線 地址緩沖器 數據緩沖器 程序計數器 PC 地址譯碼 讀控制 B0H 5CH 04H 2EH 地址 1001H 1002H 1003H 內容 1000H 內存儲器 MOV 5CH, R1 ADD R1, 2EH, R2 ＋ 1 CPU外 CPU內 ① ② ③ ④ ⑤ ⑥ ①②③④⑤⑥ ①③④⑤⑥②①②③④⑤⑥ ⑦ ⑧ 27 林水生 2021 微處理器系統結構與嵌入式系統設計 電子科技大學 通信與信息工程學院 馮 諾依曼體系結構的 演進 ? 演進 1. CPU指令集 2. 存儲器子系統 3. 總線 4. 輸入 /輸出子系統 ? 改變 1. 改變控制方式，發展數據、需求、模式等其它驅動方式； 2. 改變串行執行模式，發展 并行技術 ； 36章重點 指令功能、指令格式、尋址方式 分層結構 高速總線 +多種接口方式 馮 諾依曼型計算機的本質特點 也造成了其瓶頸： ? 指令執行的 串行性 ? 存儲器讀取的 串行性 28 林水生 2021 微處理器系統結構與嵌入式系統設計 電子科技大學 通信與信息工程學院 不同的指令集設計策略： CISC與 RISC CISC（ Complex Instruction Set Computer，復雜指令集計算機） 不斷增強指令的功能以及設置更復雜的新指令取代原先由程序段完成的功能，從而實現軟件功能的硬化。 RISC（ Reduced Instruction Set Computer，精簡指令集計算機） 通過減少指令種類和簡化指令功能來降低硬件設計復雜度，從而提高指令的執行速度。 現代計算機： RISC+CISC 29 林水生 2021 微處理器系統結構與嵌入式系統設計 電子科技大學 通信與信息工程學院 按處理器指令架構分類 ? 復雜指令集計算機 (Complex Instruction Set Computer，CISC)，如 X86 ? 控制器的設計實現復雜 ? 包含了復雜計算指令且運行時間長 ? 精簡指令集計算機 (Reduced Instruction Set Computer，RISC)，如 IBM的 PowerPC， Sun的 SPARC， MIPS的MIPS Rxxx系列 ? 高效的編譯器才能使 RISC優點充分體現 ? 指令數據少且每條指令都能在單時鐘周期完成 ? 超長指令集架構是英文 (Very Long Instruction Word, VLIW),IA64,如 INTEL的 IA－ 64， AMD的 X86－ 64 ? 簡化處理器結構，刪除復雜的控制器電路，每時鐘周期可運行 20條指令，而 CISC通常只能運行 13條指令， RISC能運行 4條指令 30 林水生 2021 微處理器系統結構與嵌入式系統設計 電子科技大學 通信與信息工程學院 31 CISC的設計思想及特點 ? 每條指令 執行單一功能 ，硬件復雜 ?為 編程方便 ，往往增加指令數目，指令編碼長度增加，硬件譯碼更復雜 ?為 編程靈活 ，增加尋址方式，指令長度不一，譯碼復雜 ?每條指令完成一個完整功能，因此 單條指令涉及多個操作 ，如取指、參數、運算、存結果等 ?為增加新功能，需增加新指令，因此指令系統越來越復雜，這也是 CISC的由來 ? 如 MC68020機就有 25種尋址模式 林水生 2021 微處理器系統結構與嵌入式系統設計 電子科技大學 通信與信息工程學院 32 RISC的設計思想及特點 ? RISC的出現 簡化了指令系統 ，克服了 CISC的缺點，使更多的芯片硅面積可以用于實現流水和高速緩存，有效地提高了計算機的性能。 ? RISC機的設計應當遵循以下 五個原則 。 ?指令條數少，格式簡單，易于譯碼； ?提供足夠的寄存器，只允許 load和 store指令訪問內存； ?指令由硬件直接執行，在單個周期內完成； ?充分利用流水線； ?強調優化編譯器的作用 林水生 2021 微處理器系統結構與嵌入式系統設計 電子科技大學 通信與信息工程學院 33 CISC和 RISC的區別 ? 內核結構 ? CISC：數據線和指令線分時復用，即馮 .諾依曼結構，程序存儲器和數據存儲器合并編址 ? RISC：數據線和指令線分離，即哈佛結構。取指令和取數據可同時進行 ? 處理器 指令集 ? CISC：不等長指令集，需要對不等長指令進行分割，執行時間長，采用微碼 ? RISC：等長精簡指令集，執行速度快且性能穩定。可同時執行多條指令，可將一條指令分割成若干個進程或線程，交由多個處理器同時執行，并行處理方面RISC明顯優于 CISC ? 軟件 ? CISC： DOS、 Windows ? RISC：成熟的操作系統少， Windows需要翻譯過程，速度慢 林水生 2021 微處理器系統結構與嵌入式系統設計 電子科技大學 通信與信息工程學院 34 RISC,CISC看法的誤區 ? RISC指令都是 簡單指令 ? LDREQ R0,[R1,R2,LSR 16]!指令的強大，一般的 CISC處理器望塵莫及。 RISC的 “簡單 ”是指指令集的執行時間、指令長度、指令格式整齊劃一 ? CISC的復雜指令 速度慢、執行效率很低 ? 現代 CISC處理器具有非常長的流水線（ PIII采用了 25級的流水線），執行速度快。但老的 CPU執行速度可能較慢 ? 但 RISC不管是老的 CPU，還是新的 CPU，指令執行時間都是相同的，不需要在對指令執行作出優化 ? RISC處理器比 CISC處理器需要 更多的寄存器 ? 這不是一個需求問題，而是一個實現問題。所以有的 CISC寄存器與 RISC相當。一般情況 RISC需要比較多的寄存器 ? RISC都有流水線 ? ARM2沒有采用流水線 林水生 2021 微處理器系統結構