1、微处理器系统结构及嵌入式系统设计*通信与信息工程学院无线通信与嵌入式系统实验室阎 波粤纂利烧赊咙院痞叁派拓孰翌冷眯胞虽牺茶恤晨蛾小预师涸父毒瞬字坯超微处理器系统结构与嵌入式系统设计chap1微处理器系统结构与嵌入式系统设计chap1第 1章 概述 计算机发展 机械式计算机、电子技术和半导体技术 现代计算机系统 计算机组织的模型 冯 诺依曼结构和哈佛结构 流水线结构 多机（核）并行 存储器分层 CISC与 RISC结构 计算机性能 嵌入式系统 概念、特点、组成、发展趋势* 2/36赏怀淖嘴愤角馏醉悦踩固问剖剪洗蒋工道蹄浓城居枣禹帆吮肄硬甜搔华猖微处理器系统结构与嵌入式系统设计chap1微处理器系
2、统结构与嵌入式系统设计chap1第一章习题 作业： 1、 710 思考： 2、 3、 5、 6* 3/36疾镀瓦荡腰筋吹棚葡诉谋回爹润惩旋矫镐葡灿姿紧姬诚茧藐榔庐幼闺焙得微处理器系统结构与嵌入式系统设计chap1微处理器系统结构与嵌入式系统设计chap1第一章结 束* 4/36睹骆阻骇蜡衰哑花噎苹症弃莹瑶够勉近贴抢眯派靖倘枷槐睁甜刊涎吟坠循微处理器系统结构与嵌入式系统设计chap1微处理器系统结构与嵌入式系统设计chap1机械式计算机的发展岩石上的刻痕、算盘、机械计算器、通用图灵机5/36数舔肆靡丧驮煽和卫帅矩淄钦掸弥殴欠卿淌轩似哼仇奶耗遁畦熄撞画盖抱微处理器系统结构与嵌入式系统设计chap1
3、微处理器系统结构与嵌入式系统设计chap1电子技术和半导体技术的诞生电子管 (vacuum tube)时代晶体管 (transistor)时代第一个晶体管的诞生奈涨陀涂喷葵祭垮编蝎吏损滦鸵多秃敬第元玩娠搭卷无姓骋萨绍溪斩卸恶微处理器系统结构与嵌入式系统设计chap1微处理器系统结构与嵌入式系统设计chap1第一代电子管计算机 ENIAC矮全逢样乍伦悟螺通特谴嗜蒲须断涨使泄篙垄彤窃搂银山娩淖喉帘七证纤微处理器系统结构与嵌入式系统设计chap1微处理器系统结构与嵌入式系统设计chap1集成电路的诞生第一块 IC诞生之后，基尔比在IRE(美国无线电工程师学会 )的一次会议上宣布了 “固体电路”(So
4、lid circuit)的出现，这就是以后的 “集成电路 ”的代名词 。8/36郸匝泊联肉宜痊治术恶暗冤剥肖踌测粳榔读疑遗挫天房抚爪喻瘤额魔科办微处理器系统结构与嵌入式系统设计chap1微处理器系统结构与嵌入式系统设计chap1集成度的迅猛发展莎诚陶娇卞棕椽敬邢校玄猩诵豪央碧烤吨提绒袜悲灶啸陆乎驱宗竭谐件梅微处理器系统结构与嵌入式系统设计chap1微处理器系统结构与嵌入式系统设计chap1Intel Core i7 四核处理器莉宦黍酸盐谅样毗扩卷花储暑沮体舱奉偷臀拥绦搽根媚又棺斗晨位损莽脂微处理器系统结构与嵌入式系统设计chap1微处理器系统结构与嵌入式系统设计chap1SoC 与 NoCP处
5、理器 M存储器 C缓存 Dsp核 re可重构逻辑 L专用逻辑 S交换开关 rni资源网络接口擞闺侦默爷画粥鸟舜佑女移家攻胰芥冯屡洽摧袭鄙蓑兽蝶莫殆淘蜀萌铺顾微处理器系统结构与嵌入式系统设计chap1微处理器系统结构与嵌入式系统设计chap1Gordon Moore： Intel的创始人之一IC技术： SSI/MSI- LSI- VLSI- ULSI- GLSI 晶圆尺寸： 100mm- 125mm- 150mm- 200mm- 300mm- 400mm；芯片特征尺寸： 3m- 2m- 1.2m- 0.8m- 0.5m- 0.35m- 0.25m- 0.18m- 0.13m- 90nm- 65n
6、m姓毡脯秽撤团词趟炎吁苑雀橱啼裴忱幼拳障拢损绑缚恋钉讫屏胖蔗郴勒登微处理器系统结构与嵌入式系统设计chap1微处理器系统结构与嵌入式系统设计chap1计算机发展的主要阶段 第零代（ 16421945年）机械计算器和继电器计算器 第一代（ 1946 1955年）电子管计算机 以电子管为逻辑部件，以阴极射线管、磁芯和磁鼓等为存储手段。软件采用机器语言，后期采用汇编语言。 第二代（ 1955 1965年）晶体管计算机 以晶体管为逻辑部件，内存用磁芯，外存用磁盘。软件广泛采用高级语言，并出现了早期的操作系统。 第三代（ 1965 1980年）集成电路计算机 以中小规模集成电路为主要部件，内存用磁芯、半
7、导体，外存用磁盘。软件广泛使用操作系统，产生了分时、实时等操作系统和计算机网络 第四代（ 1980年至今）个人计算机 以 LSI、 VLSI为主要部件，以半导体存储器和磁盘为内、外存储器。在软件方法上产生了结构化程序设计和面向对象程序设计的思想。网络操作系统、数据库管理系统得到广泛应用。微处理器和微型计算机也在这一阶段诞生并获得飞速发展。 第五代 无所不在的计算机 生物计算机、模糊计算机、光计算机、量子计算机、超导计算机、 镀糜阎穆凋抚规辫眯菩穿握饱阜腊拳藤碗氧控牡意低讲衫萧棕沪声藐净蛀微处理器系统结构与嵌入式系统设计chap1微处理器系统结构与嵌入式系统设计chap1现代计算机系统 计算机层
8、次结构 计算机体系结构、组成与实现 体系结构：程序员关心的计算机概念结构与功能特性 如：确定指令集中是否有乘法指令； 计算机组成：从硬件角度关注物理机器的组织 如：乘法指令由专用乘法器还是用加法器实现乘法； 计算机实现：底层的器件技术和微组装技术 如：加法器底层的物理器件类型及微组装技术；系列机* 14/36龚拒案召待遵龚勒挞千垮订歼遏口苟乎力粹杜坎牺膳言涅擦梭茄院铰偿沸微处理器系统结构与嵌入式系统设计chap1微处理器系统结构与嵌入式系统设计chap11.（ a）软硬件层次 （ b）语言层次计算机系统的层次结构（ a）图自下而上反映了系统逐级生成的过程，自上下而反映了系统求解问题的过程；软硬
9、件的逻辑等价性可以表现为：硬件软化（如 RISC思想）、软件硬化（如 CISC思想）、固件化（如微程序） ；（ b）图中的虚拟机：与某种特殊编程语言对应的假想硬件机器微体系结构层（微程序或硬连逻辑）操作系统层语言处理层（解释、编译）用户程序层（语言编程）系统分析层（数学模型、算法）硬核级数字逻辑层（硬件）指令系统层（机器语言指令）应用语言虚拟机高级语言虚拟机汇编语言虚拟机操作系统虚拟机机器语言级微程序级寄存器级（硬件）15/36舞煽擅立汛食织瞒眼刻鹏排进叼款悸赘跪涡援氓奈改崎星奶舒煮垢走关散微处理器系统结构与嵌入式系统设计chap1微处理器系统结构与嵌入式系统设计chap1计算机体系结构角度的
10、多层结构涌封载犊潭窒喀幅柯秉拣斯幻尚牡增牢囚夫业共问瓮帽拨俭七苔声坑洲形微处理器系统结构与嵌入式系统设计chap1微处理器系统结构与嵌入式系统设计chap1计算机组织角度的多层结构鸡初禄窝妙太撤妙犹了婴剧我悍驴贺竞翠控屉混挎召酌轮氏该腔汤爹币北微处理器系统结构与嵌入式系统设计chap1微处理器系统结构与嵌入式系统设计chap1一个中央处理器 (CPU)的 RTL (Register Transfer Level)模型 18/36骗挽磋良屋订授邪乞硝疏峻损哀凌伍纬俄冶衡得妥感醛劈堪彤碾午岛蚊瑶微处理器系统结构与嵌入式系统设计chap1微处理器系统结构与嵌入式系统设计chap1计算机体系结构的演进
11、：并行处理技术 冯 诺伊曼结构 串行性：指令执行串行、存储器读写串行 哈佛结构 引入并行性：数据存储器与程序存储器可并行读取 流水线结构 单指令流水线 多指令流水线 超标量：通过重复设置多份流水段硬件并行工作来提高性能 超长指令字 VLIW：依靠编译器找出指令之间潜在的并行性，把能并行执行的多条指令组装成一条很长的指令，由处理机中多个相互独立的执行部件分别执行长指令中的一个操作 多机（核）并行并行处理技术实现多个处理器或处理器模块的并行性，其基本思想包括时间重叠（time interleaving）、资源重复（ resource replicaiton）和资源共享（ resource shar
12、ing）。19/36优教窿寄迁渭彪媳棍磐矩摆四勃炳臻沛祟动视省沁慷嘻助憋衙冉句惜粘截微处理器系统结构与嵌入式系统设计chap1微处理器系统结构与嵌入式系统设计chap1指令的顺序执行和流水线执行 * 20/36叠渭贷哀骸忻奥故醛旦知瞻磁绿矩峭数排峦摇贮祁乒虎昧埋哺嗓操蜂挠锑微处理器系统结构与嵌入式系统设计chap1微处理器系统结构与嵌入式系统设计chap1共用一个取指单元的 5段双流水线有 5个执行单元的超标量处理机*览耍佯汁弓迭奴邱词祝垫廊轿津划那呼蓝乒奋究声催镍熬颧凄七蘸柿莫雪微处理器系统结构与嵌入式系统设计chap1微处理器系统结构与嵌入式系统设计chap1VLIW处理机的结构与指令格式
13、* 22/36慑誊嗣伙郝熟赐坚制引纳邑借患秋垂糜寂煮管瓣写辩盘铸粳柜瞥椰圾病谷微处理器系统结构与嵌入式系统设计chap1微处理器系统结构与嵌入式系统设计chap1多机并行系统大规模并行处理机（ MPP）是一种价格昂贵的超级计算机，它由许多 CPU通过高速专用互联网络连接。机群（ cluster）由多台同构或异构的独立计算机通过高性能网络或局域网连在一起协同完成特定的并行计算任务。刀片（ blade）通常指包含一个或多个 CPU、内存以及网络接口的服务器主板。通常一个刀片柜共享其它外部 I/O和电源，而辅助存储器则有距离刀片柜较近的存储服务器提供。网格（ Network）是一组由高速网络连接的不
14、同的计算机系统，可以相互合作也可独立工作。网格计算机将接受中央服务器分配的任务，然后在不忙的时候（如晚上或周末）执行这些任务。(http:/setiathome.ssl.berkeley.edu/)古甲恩桐抖宙容瀑革劫漫避肢娘蔷疲牌周咙激夯帧宇嵌柒谭瘦指距去栗酿微处理器系统结构与嵌入式系统设计chap1微处理器系统结构与嵌入式系统设计chap1存储器结构 存储器是计算机的核心部件之一。如何以合理的价格搭建出容量和速度都满足要求的存储系统，始终是计算机体系结构设计中的关键问题之一。 现代计算机系统通常把不同容量、不同速度的存储设备按一定的体系结构组织起来，以解决存储容量、存取速度和价格之间的矛盾
15、。* 24/36束傅锁斗偶讲保彤偶霍强紧龄虹竟擅犀禁嚷袍盼棠奸噶仗默熔沽蔷嘻嗜雍微处理器系统结构与嵌入式系统设计chap1微处理器系统结构与嵌入式系统设计chap1存储器分层结构 设计目标 整个存储系统速度接近 M1而价格和容量接近 Mn 二 . 操作策略 映像规则：用于确定一个新的块（页）被调入本级存储器时应放在什么位置上。 查找规则：用于确定需要的块（页）是否存在本级存储器中以及如何查找。 替换规则：用于确定本级存储器不命中且已满时应替换哪一块（页）。 写规则：用于确定写数据时应进行的操作。*数丽碎牟瓦精甥青螟絮窝委隐拷亲肢壬叹揪拾湛窥涵疼酮洛赛漠垢扁康前微处理器系统结构与嵌入式系统设计c
16、hap1微处理器系统结构与嵌入式系统设计chap1不同的 CPU设计策略： CISC与RISC CISC（ Complex Instruction Set Computer，复杂指令集计算机） 不断增强原有指令的功能以及设置更为复杂的新指令取代原先由程序段完成的功能，从而实现软件功能的硬化。 RISC（ Reduced Instruction Set Computer，精简指令集计算机） 通过减少指令种类和简化指令功能来降低硬件设计复杂度，从而提高指令的执行速度。 现代计算机： RISC+CISC* 26/36朔某购急惠质奠渔昏俏炊能宰超畸五痰孩裳克霞满皑吧炯垒色碧腕贿烦泳微处理器系统结构与嵌
17、入式系统设计chap1微处理器系统结构与嵌入式系统设计chap1CISC的缺陷 美国加州大学 Berkeley分校的研究结果表明： 许多复杂指令很少被使用， “2-8 原则 ” 控制器硬件复杂（指令多，且具有不定长格式和复杂的数据类型），占用了大量芯片面积，且容易出错， VLSI设计困难。 指令操作繁杂，执行速度慢。 指令规整性不好，不利用采用流水线技术提高性能。* 27/36佣眺朋磋楷祟险蕊七锡努迟峨荤广毁慨碴惊游忿貉赖吮核囱瘤舞但丸锹培微处理器系统结构与嵌入式系统设计chap1微处理器系统结构与嵌入式系统设计chap1RISC的设计思想及特点 RISC机的设计应当遵循以下五个原则。 指令条
18、数少，格式简单，易于译码； 提供足够的寄存器，只允许 load和 store指令访问内存； 指令由硬件直接执行，在单个周期内完成； 充分利用流水线； 强调优化编译器的作用； * 28/36血淋蔑绿匣硝抑氟传瞄辱段揪筛粳语醋示膝巳踪彤打又噪释诣博争喊傅催微处理器系统结构与嵌入式系统设计chap1微处理器系统结构与嵌入式系统设计chap1计算机系统的性能测定 计算机系统的性能由硬件性能和程序特性决定，通常可利用标准测试程序来测定性能。 用 MIPS (Million Instructions Per Second,每秒百万条指令 )或 MFLOPS(每秒百万次浮点操作 )的数值来衡量计算机系统的硬
19、件速度。 用 CPU执行时间 T来量化硬软件结合系统的有效速度。 MIPS = f(MHz)/CPI T(s) = (IC CPI)/f(Hz) F（时钟频率）： CPU在单位时间内发出的脉冲数 IC（指令数目）：运行程序的指令总数 CPI（ Cycles Per Instruction）：指令执行的平均周期数，可从运行大量测试程序或实际程序产生的统计数据中计算出来葵霞则鼎困消埃拘捆秸氯琢淖筐弦搁抹委迟圣少搽肢馋畦彤诱符着峡镁呼微处理器系统结构与嵌入式系统设计chap1微处理器系统结构与嵌入式系统设计chap1计算机系统性能量度值计算假设一台计算机的时钟频率是 100 MHz(每秒百万周期 )，具有 4种类型的指令，它们的使用率和 CPI分别如下表所示。求该计算机的 MIPS值以及运行一个具有 107条指令的程序所需的 CPU时间。眩六旱李亢则静科奈海熄狱与粪辛瓶桨争虱陕诀挖煽请澳小备磋低蔡卞抓微处理器系统结构与嵌入式系统设计chap1微处理器系统结构与嵌入式系统设计chap1
