嵌入式系统学习笔记——Chapter2

Chapter2 处理器设计导论

一个简单的处理器可由以下结构构成

• 算术逻辑单元（ALU）；
• 控制逻辑（Control Logic）；
• 寄存器（Register）（PC, IR, ACC）

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MU0-一个简单的处理器

MU0是曼彻斯特大学基于上述设计开发的第一类机器，常用于教学。

流水线

流水线的典型步骤如下：
1)从存储器读取指令 (fetch)
2)译码以鉴别它是哪一类指令 (dec)。
3)从寄存器堆取得所需的操作数 (reg)
4)将操作数进行组合以得到结果或存储器地址 (ALU)
5)如果需要,则访问存储器以存取数据 (mem)。
6)将结果回写到寄存器堆 (res)

流水线的冒险会影响流水线的效率。因此有规定，流水线要求：指令执行步骤一致、指令集长度固定、没有转移指令，一般 3—5 级为好

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精简指令集计算机

（Reduced Instruction Set Computer）
RISC 体系结构：

• 固定的指令长度（32 位），指令类型很少；
• Load-Store 结构，数据处理只访问寄存器，与访问存储器的指令分开；
• 大量的寄存器，不少于 32 个。可以用于任何用途；

RISC 组织：

• 硬连线的指令译码逻辑；
• 流水线执行；
• 指令单周期执行；
• 较高的时钟频率；

RISC 优点：面积小、开发快、性能高
RISC 缺点：代码密度低（指令长度固定，单周期导致代码无用部分多，在 ARM 中采用 16 位 Thumb 代码弥补）

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小结

特性	CISC	RISC
价格	由硬件完成部分软件功能，硬件复杂性增加，芯片成本高	由软件完成部分硬件功能，软件复杂性增加，芯片成本低
性能	减少代码尺寸，增加指令的执行周期数	使用流水线降低指令的执行周期数，增加代码尺寸
指令集	大量的混杂型指令集，有简单快速的指令，也有复杂的多周期指令，符合HLL	简单的单周期指令，在汇编指令方面有相应的CISC微代码指令
高级语言支持	硬件完成	软件完成
寻址模式	复杂的寻址模式，支持内存到内存寻址	简单的寻址模式，仅允许LOAD和STORE指令存取内存，其它所有的操作都基于寄存器到寄存器
控制单元	微码	直接执行
寄存器数目	寄存器较少	寄存器较多

第二章、处理器设计导论

Chapter1、处理器体系结构和组织

计算机系统 = 软件 + 硬件/固件
体系结构描述从用户角度看到的计算机，即概念性结构与功能特性。

是否把指令和数据放在同一存储器中？

优点：

• 不必预先区分指令和数据，易实现存储管理软件；
• 程序和指令在执行过程中可以被修改，因而可以编写出灵活的可修改的程序；
• 对于存取指令和数据仅需一套读/写和寻址电路，硬件简单；
• 数据可以分配于任何可用空间，从而可更有效地利用存储空间等。

缺点：

• 不利于进行程序调试诊断；
• 不利于实现程序的可再入性和程序的递归调用；
• 不利于重叠和流水方式的操作。

现在绝大多数计算机都规定，在执行进程中不准修改程序。

Chapter2、简单处理器设计介绍-MU0

采用冯·诺伊曼结构，指令存储在外部存储器中，I/O模块提供对外接口，MPU、存储器、I/O模块之间通过处理器总线（数据、地址、控制）相连。

MPU包括：

• 算术逻辑单元（ALU）；
• 控制逻辑（Control Logic）；
• 寄存器（Register）（PC, IR, ACC）

执行程序步骤：
取值（存储器）→译码（MPU）→取操作数（存储器）→执行

指令集：
12 位地址空间、16 位数据总线（指令长度可达 16 位 4 操作+12 地址）

每条指令占用的周期数由访问存储器的次数决定

指令一般包括：操作码与操作数

Chapter3、指令集设计与流水线

指令地址（相加为例）：

• 四地址
• 三地址：下一条指令地址为隐含的（ARM 指令集采用）
• 二地址：一个源操作数用作目标寄存器
• 一地址：将目的寄存器隐含
• 零地址：堆栈

寻址模式：
立即寻址、绝对寻址、间接寻址、寄存器寻址、寄存器间接寻址、基址偏移寻址、基址变址寻址、基址比例变址寻址、堆栈寻址

指令类型：
数据处理指令（使用率最高）、数据传送指令、控制流指令、控制处理器执行状态的特殊指令

让处理器运行更快：
流水线技术、高速缓存、超标量指令执行

流水线典型步骤：
取指令译码→取操作数→操作数进行组合→访问存储器→回写

流水线要求：
指令执行步骤一致、指令集长度固定、没有转移指令，一般 3—5 级为好

Chapter4、RISC VS CISC

RISC 体系结构：

• 固定的指令长度（32 位），指令类型很少；
• Load-Store 结构，数据处理只访问寄存器，与访问存储器的指令分开；
• 大量的寄存器，不少于 32 个。可以用于任何用途；

RISC 组织：

• 硬连线的指令译码逻辑；
• 流水线执行；
• 指令单周期执行；
• 较高的时钟频率；

RISC 优点：面积小、开发快、性能高
RISC 缺点：代码密度低（指令长度固定，单周期导致代码无用部分多，在 ARM 中采用 16 位 Thumb 代码弥补）

CISC 整体反之：
昂贵、代码尺寸小（周期多）、大量混杂型指令集、寻址模式复杂等。

特性	CISC	RISC
价格	由硬件完成部分软件功能，硬件复杂性增加，芯片成本高	由软件完成部分硬件功能，软件复杂性增加，芯片成本低
性能	减少代码尺寸，增加指令的执行周期数	使用流水线降低指令的执行周期数，增加代码尺寸
指令集	大量的混杂型指令集，有简单快速的指令，也有复杂的多周期指令，符合HLL	简单的单周期指令，在汇编指令方面有相应的CISC微代码指令
高级语言支持	硬件完成	软件完成
寻址模式	复杂的寻址模式，支持内存到内存寻址	简单的寻址模式，仅允许LOAD和STORE指令存取内存，其它所有的操作都基于寄存器到寄存器
控制单元	微码	直接执行
寄存器数目	寄存器较少	寄存器较多

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