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微处理器系统概述“好奇号”火星探测器的硬件和软件•北京时间2012年8月6日13：31分，美国宇航局好奇号火星车在火星着陆，它将展开为期两年的任务，主要任务是探索火星过去或者现在的环境是否适宜生命存在好奇号“好奇号”微处理器系统硬件•两套完全相同的微处理器系统•CPU为BAERAD750（1040万晶体管，核心频率110到200MHz），基于IBM的PowerPC750设计而来，速度达到400MIPS（勇气号和机遇号为35MIPS），可以承受-55和70度气温变化以及1000gray的辐射水平•256KEEPROM、256MB内存、2GB闪存软件•VxWoks6.9实时操作系统•WindRiverSystems（已被Intel收购）开发•好奇号代码共250万行，程序语言是C，多是用Python脚本自动生成•超过一百万行代码是手写•程序包含150个独立模块，每个模块执行不同的功能，高度耦合的模块组合成组件手机基本结构1.1系统基本结构•微处理器•内部存储器•外部设备完整的微处理系统的基本构架微处理器存储器中断控制器外设DMA控制器DBABCB16位PC-8086微处理器结构CMOSRAM80868288ROMRAM8255打印机82378259ABDBCB8051RS232串口82548042键盘扬声器82828286IDE控制器硬盘光驱显示控制器显示器flgR0Rn指令执行指令读取程序存储器指令译码指令运算OPSADCSBARRD通用运算器IAICID数据读写控制DADCDD数据存储器外设寄存器程序存储数据存储数据访问微处理器•用来实现运算和控制功能的部件，由运算器、控制器和寄存器三个基本单元组成•运算器用于完成数据的算术和逻辑运算•CPU内部的寄存器用来暂存参加运算的操作数和运算结果•控制器通常由指令寄存器、指令译码器和控制电路组成•指令是一组二进制编码信息，主要包括两个内容：告诉计算机进行什么操作；指出操作数或操作数地址。•控制电路根据指令的要求向微型机各部件发出一系列相应的控制信息，使它们协调有序地工作。系统总线•微处理器通过系统总线与内部存储器（简称内存）和外部设备（简称外设）相连•系统总线由三个部分组成：地址总线，提供存储单元的地址；数据总线，提供存储单元读写操作时的数据；控制总线，提供读写使能信号和其它辅助信号•微处理器通过总线对它们进行数据的读取和写入，即读操作和写操作微处理器系统•是完成信息处理，主要处理操作为数据传送、数学计算和流程控制•处理过程采用格式化的二进制代码描述构成程序，并保存在存储设备中•程序可以存放在内存中，也可以存放在外部存储器中•当需要执行这些程序时，必须先将这些程序读入内存•微处理器可以自动通过系统总线从内存中读取这些代码，并能够自动通过系统总线来获取和保存操作中所需要和产生的数值微处理器系统•硬件和软件两个部分组成•硬件实现具体操作过程•软件实现处理过程，即操作流程微处理器•在功能上主要体现为数据传送、数学运算和流程控制•在形式上体现为数据和指令•在结构上由数学运算单元、寄存器、指令控制单元和存储控制单元组成处理的格式化描述•每个处理包括三个部分：执行条件、处理动作、处理内容。•执行条件是可选的，没有给出条件就意味着无条件或者认为条件恒成立•处理动作主要是数据传送、数学运算和流程控制这三大类•处理内容则是数据传送的源和目的、运算的输入输出和流程控制的参数等功能实现结构•信息处理：操作及操作对象•从电路设计角度来看，逻辑功能单元和存储功能单元•存储功能单元：寄存器单元和存储器单元•逻辑功能单元：运算器和控制器控制器。完成对整个计算机系统操作的协调与指挥运算器。数据加工处理部件，所进行的全部操作由控制器发出的控制信号指挥寄存器•通用寄存器和专用寄存器•通用寄存器。用来存放原始数据和运算结果，有时还可以作为计数器和地址指针等•专用寄存器。专门用来完成某一种特殊功能的寄存器，通常不允许编程直接操作，必须通过专用指令来修改，有的只是内部使用，无法编程更改专用寄存器•至少要有5个专用的寄存器：指令寄存器（IR）程序计数器（PC）地址寄存器（AR）数据缓冲寄存器（DR）状态条件寄存器（PSW）存储总线•存储器。由大量可以存储一个二进制代码的存储元构成行地址译码器存储矩阵…A0A1Ai……Dm-1D0列地址译码器读/写控制电路Ai+1An-1CSR/W…I/O0I/Om-1…存储器•通常为单独器件，指令和数据都存放在存储器中寄存器暂存器地址总线地址总线数据总线控制总线存储器控制运算器•ALU、操作数通道单元、判别逻辑和控制单元等构成了运算器•运算器不仅可以完成算术逻辑运算，还可以作为数据信息的传送通道•向ALU提供操作数的实现方法有两种：ALU输入端加多路选择器ALU输入端加一级暂存器（锁存器）带多路选择器的运算器•由寄存器的同步输入脉冲CPi将内部总线上的数据送入Ri移位器选择器选择器R0Rn-1ALU………………R0~Rn-1R0~Rn-1+1……MS0S3~内部总线带输入锁存器的运算器ALUA通用寄存器特殊寄存器锁存器ALUALU通用寄存器特殊寄存器内部总线锁存器运算器内部总线•主要有3种结构形式•单总线结构运算器•双总线结构运算器•三总线结构运算器单总线结构运算器ALUA通用寄存器特殊寄存器锁存器ALUALU通用寄存器特殊寄存器内部总线锁存器双总线结构运算器ALU通用寄存器特殊寄存器特殊寄存器缓冲器ALU通用寄存器特殊寄存器特殊寄存器缓冲器总线A总线B三总线结构运算器通用寄存器特殊寄存器总线旁路器总线BALU总线A总线C控制器•读取指令•翻译、分析指令•执行指令微操作信号发生器程序计数器（PC）节拍发生器译码器地址形成部件状态寄存器中断控制逻辑时钟操作码地址码启停逻辑脉冲源微操作命令序列I/O状态信息控制台信息运行状态送MAR或ALU+1指令寄存器（IR）指令结束中断请求………………指令部件•程序计数器（PC）：用来保存当前正在执行的一条指令或接着要执行的下一条指令的地址；•指令寄存器（IR）：用来存放从存储器中取出的指令；•指令译码器（ID）：用来解释指令、产生相应的控制信号提供给微操作信号发生器；•地址形成部件：根据指令不同寻址方式，形成操作数的有效地址。时序部件•产生一定的时序信号，以保证系统的各功能部件有节奏地进行信息传送、加工和信息存储微操作信号发生器•微操作。一条指令的取出和执行可以分解成很多最基本的操作，这种最基本的不可再分割的操作称为微操作信号发生器•控制单元（CU）。它是控制器的核心。不同的机器指令具有不同的微操作序列•微操作控制信号。由指令部件提供的译码信号、时序部件提供的时序信号和备控制功能部件所反馈的状态及条件综合形成的中断控制逻辑•用来控制中断处理的硬件逻辑存储结构•微处理器所执行的指令和操作数据都是放在存储器中•主要有两种结构：•哈佛结构：微处理器连接一个指令存储器和一个数据存储器，指令和数据是独立存储的；•冯·诺伊曼结构：微处理器只接一个存储器，该存储器中既有指令又有数据哈佛结构总线（指令）存储器（指令）总线（数据）存储器（数据）控制器寄存器运算器微处理器冯·诺伊曼结构总线存储器控制器寄存器运算器微处理器微处理结构•利用二者各自优点进行折衷构建现在流行的带高速缓存的•从外部上看是冯·诺伊曼结构，即程序和数据都存在一个存储器中，接口总线只有一套，接口简单且存储成本低•从内部上看是哈佛结构，即有独立的指令和数据缓存，指令与数据是分开存储的，指令执行速度快新微处理器结构总线（指令）高速缓存（指令）总线（数据）高速缓存（数据）总线存储器微处理器控制器寄存器运算器高速缓存（Cache）•最大特点：存取速度快，但容量较小•将当前使用频率较高的程序和数据通过一定的替换机制从存储器放入Cache指令集体系•指令的强弱是CPU的重要指标•指令集是提高微处理器效率的最有效工具之一•主流体系结构：指令集可分为复杂指令集(CISC)和精简指令集(RISC)两部分CISC•是一种为了便于编程和提高记忆体访问效率的晶片设计体系•体系的指令特征使用微代码•新设计的处理器，只需增加较少的电晶体就可以执行同样的指令集，也可以很快地编写新的指令集程式•其优点：能够有效缩短新指令的微代码设计时间，允许设计师实现CISC体系机器的向上相容•缺点：指令集以及晶片的设计比上一代产品更复杂，不同的指令，需要不同的时钟周期来完成，执行较慢的指令，将影响整台机器的执行效率RISC•是为了提高处理器运行的速度而设计的晶片体系•关键技术在于流水线操作。即在一个时钟周期里完成多条指令•同样长度的指令；单机器周期指令•优点：在使用相同的晶片技术和相同运行时钟下，RISC系统的运行速度将是CISC的2～4倍。RISC处理器比相对应的CISC处理器设计更简单•缺点：多指令的操作使得程式开发者必须小心地选用合适的编译器，而且编写的代码量会变得非常大。另外就是RISC体系的处理器需要更快记忆体CISC与RISC差异•CISC指令复杂，故采微指令码控制单元的设计，而RISC的指令90%是由硬体直接完成，只有10%的指令是由软体以组合的方式完成，指令执行时间上RISC较短，所须ROM空间相对的比较大•CISC的需要较多的定址模式，而RISC只有少数的定址模式，CISC占用的汇流排周期较多•CISC指令的格式长短不一，执行时的周期次数也不统一，而RISC结构刚好相反，达到平均一周期完成一指令•在设计上RISC较CISC简单；RISC因指令精简化后造成应用程式码变大，需要较大的程式记忆体空间•大量使用寄存器指令执行过程•一条指令运行的过程可分为3个阶段：取指令阶段分析取数阶段执行阶段微处理器指令运行控制流程程序执行完了吗？取出指令启动分析指令执行指令是否有中断请求？转中断处理程序返回否是是否等待取指令阶段•完成的任务是将现行指令从主存储器中取出来并送至指令寄存器（IR）中去，具体操作如下：•将程序计数器（PC）中的内容送至存储器地址寄存器（AR），并送地址总线（AB）；•由控制单元（CU）经控制总线（CB）向存储器发读命令；•从主存储器中取出指令通过数据总线（DB）送到数据寄存器（DR）；•将DR的内容送至指令寄存器（IR）中；•将PC的内容递增，为取下一条指令做好准备。取指令阶段中微处理器个部分工作流程PCARCUDRIR主存储器地址总线数据总线控制总线①②①③④⑤分析取数阶段•取出指令后，指令译码器（ID）可识别和区分出不同的指令类型执行阶段•完成指令规定的各种操作，形成稳定的运算结果，并将其存储起来流水线构架•一条指令从存储器读出来到执行完，其主要工作流程为：取指（F）译指（D）读数（R）运算（A）写数（W）•微处理器需要经过5步才完成一条指令的操作•寄存器保存数据需要时钟信号，时钟是操作的节拍，所有操作都是以时钟为最基本时间进行的•处理速度取决于每个节拍的时钟周期冯诺依曼结构的处理器时序图F0D0A0R0W0F1D1A1R1W1F2D2R2A2W2123456789101112131415平均每5个时钟周期可以完成1条指令两级流水线•微处理器分成两个部分，取指和总线单元为一个功能体，译指和运算单元为一个功能体•两个功能体相对独立，两个功能体可以同时工作•平均每3个时钟完成1条指令工作时序图F0D0F1R0A0D1W0R1A1W1D2R2A2F3D3W2R3A3F4W3F2D4R4123456789101112131415三级流水线•取指、读写数据都会对存储器进行操作，采用哈佛结构将指令读取和数据读取分离可以进一步加快执行速度•处理器含有三个功能体指令总线及读取功能体；数据总线读写功能体；译指和运算功能体•三个功能体相对独立，三个功能体可以同时工作•平均每4个时钟周期完成2条指令，即每个2时钟周期完成1条指令工作时序图F0D0F1R0A0W0D1A1R1W1F2D2R2A2W2A3R3W3F3D3F4F5F6D4D5R4R5W4W5A4A5R6F7D6D7123456