《微处理器系统与嵌入式系统》全册配套课件.ppt

1、微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计1 1微处理器微处理器系统与嵌入式系统系统与嵌入式系统全册配套课件全册配套课件微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计2 2计算机是什么计算机是什么微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计3 3后后PC时代：通用计算机、嵌入式计算机时代：通用计算机、嵌入式计算机计算机的分类计算机的分类微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计4 4嵌入式系统是一门交叉学科，涉及计算机、微电子、网络、通信、信号处理、传感器等诸多领域。随着现代微电子技术、微机电系统MEMS、片上系

2、统SoC、纳米材料、无线通信技术、信号处理技术、计算机网络技术等的进步以及互联网的迅猛发展，嵌入式系统向集成化、微型化，智能化、网络化方向发展。嵌入式嵌入式( (计算机计算机) )系统系统微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计5 5 CPU90%90% 10%R、R-M、M-R或或M-Mu 数据传送宽度数据传送宽度：一般：一般为固定值（如为固定值（如8、16或或32bit），其），其它宽度的数据传送它宽度的数据传送一般可一般可通过软件移位和合通过软件移位和合并操作来实现。并操作来实现。2.数据运算：数据运算：包括包括算术运算（加、减、乘、除等）和逻算术运算（加、减、乘

3、、除等）和逻辑辑 运算（与、或、非、异或等）运算（与、或、非、异或等）。 该类指令该类指令需要明确操作数的类型和长度需要明确操作数的类型和长度。3.控制类：控制类：用于改变正常的程序执行流程，完成程序的跳用于改变正常的程序执行流程，完成程序的跳转转，主要包括转移指令和过程指令。主要包括转移指令和过程指令。I/O？微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计机器指令要素机器指令要素操作码操作码(operation code，opcode)：需要完成的操作；：需要完成的操作；源操作数源操作数 (source operand reference)：操作所需的输入；：操作所需的输入

4、；结果操作数结果操作数 (result operand reference)：操作产生的结果；：操作产生的结果；下一条指令下一条指令 (next instruction reference)：告诉：告诉CPU到哪里到哪里取下一条指令。取下一条指令。 yyyy-M-d微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计指令格式指令格式 在计算机内部，指令由一个位串来表示。相应于指令在计算机内部，指令由一个位串来表示。相应于指令的各要素，这些位串划分成几个的各要素，这些位串划分成几个字段字段：u操作码字段操作码字段：说明说明CPU应进行的操作应进行的操作按操作类型分组按操作类型分组：同

5、同类类操作要求同样或类似的控制信号，因操作要求同样或类似的控制信号，因此编此编码也类似（码也类似（有尽可能多的公共位有尽可能多的公共位）u操作数字段操作数字段/地址字段地址字段：说明源操作数和目的操作数存放的位置信息说明源操作数和目的操作数存放的位置信息(R、M或或I/O);说明源操作数和目的操作数的数据类型说明源操作数和目的操作数的数据类型;u下一条指令地址字段下一条指令地址字段： 如紧跟当前指令，在主存或虚存中，则不需显示引用；如紧跟当前指令，在主存或虚存中，则不需显示引用； 如可能产生跳转，则需要显示给出存储地址；如可能产生跳转，则需要显示给出存储地址；指令类型决定了指令类型决定了CPU

6、CPU的软件功能特性的软件功能特性寻址方式决定了寻址方式决定了CPUCPU硬件功能特性硬件功能特性174/86微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计操作码字段操作码字段常见指令字段分配常见指令字段分配操作码位段分配操作码位段分配扩展操作码扩展操作码微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计操作数字段操作数字段 二元操作二元操作(binary operation)是一种基本操是一种基本操作类型，这样的指令通常包含作类型，这样的指令通常包含三个操作数地址三个操作数地址：两个源操作数和一个目的两个源操作数和一个目的(结果结果)操作数。为了缩操作数。为了

7、缩短指令长度，可以采用以下方法：短指令长度，可以采用以下方法：只有一个地址指定给存储器中的操作数，而只有一个地址指定给存储器中的操作数，而其余地址都指定给其余地址都指定给寄存器寄存器，可以在指令格式中明，可以在指令格式中明确地指定其寄存器号。确地指定其寄存器号。二二把一个、两个或三个操作数的地址在指令格把一个、两个或三个操作数的地址在指令格式中变成式中变成隐含隐含的地址。隐含的地址可以指定给专的地址。隐含的地址可以指定给专用寄存器，而这些寄存器的名字隐含在指令格式用寄存器，而这些寄存器的名字隐含在指令格式的操作码中。的操作码中。yyyy-M-d176/86机器指令结构机器指令结构：M-M、M-

8、R、R-R机器指令结构机器指令结构：零地址零地址、单、单地址、地址、双双地址地址微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计寻址方式寻址方式操作数实际存放位置：操作数实际存放位置：寻址方式：寻址方式：1在指令码中指定操作数：在指令码中指定操作数：立即数寻址立即数寻址2在寄存器中指定操作数：在寄存器中指定操作数：寄存器（直接）寻址寄存器（直接）寻址3在存储器中指定操作数：在存储器中指定操作数：存储器直接寻址存储器直接寻址、存储器间接寻址存储器间接寻址4在汇编程序中指定操作数：在汇编程序中指定操作数： 相对寻址相对寻址5操作数在操作数在I/O接口中：接口中： 存储器寻址（存储器

9、映像编址）或端口寻址（独立编址）存储器寻址（存储器映像编址）或端口寻址（独立编址）ABDB控控制制器器运运算算器器寄寄存存器器CPU存存储储器器00000HFFFFFHI/O接接口口0000HFFFFHI/O外外设设CB微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计立即数寻址立即数寻址immediate addressing modeimmediate addressing mode微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计寄存器直接寻址方式寄存器直接寻址方式register direct addressing moderegister direct a

10、ddressing mode 指令的地址字段给指令的地址字段给出出寄存器号（名）寄存器号（名） ，而被指定的寄存器的内而被指定的寄存器的内容就是操作数。容就是操作数。 微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计存储器直接寻址存储器直接寻址memory direct addressing modememory direct addressing mode指令的地址字段指令的地址字段直接给定一个直接给定一个立即数立即数作为存储单元的作为存储单元的地址地址。寄存器直接寻址寄存器直接寻址微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计存储器间接寻址存储器间接寻址m

11、emory indirect addressing modememory indirect addressing mode(1) 寄存器间接寻址方式寄存器间接寻址方式(2) 存储器间接寻址方式存储器间接寻址方式(3) 位移量寻址方式位移量寻址方式(4) 变址寻址方式变址寻址方式(5) 比例尺寻址方式比例尺寻址方式用于加强编写与位置无关的汇编语言程序用于加强编写与位置无关的汇编语言程序微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计寄存器间接寻址方式寄存器间接寻址方式register indirect addressing moderegister indirect addres

12、sing mode 将存储器地址指定在将存储器地址指定在寄存器中，即让寄存器中，即让寄存寄存器内容指向器内容指向一个可访一个可访问到操作数的存储器问到操作数的存储器单元。单元。yyyy-M-d182/86微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计存储器间接寻址方式存储器间接寻址方式 memory indirect addressing modememory indirect addressing mode 多级多级间接寻址；间接寻址； 通常用于访问存储器中通常用于访问存储器中的的“跳转表跳转表”：跳转表首址：跳转表首址指定在指定在寄存器寄存器中，该表中的中，该表中的每个表

13、项指向一个可访问到每个表项指向一个可访问到操作数的存储器单元。操作数的存储器单元。跳转表跳转表微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计位移量寻址方式位移量寻址方式displacement addressing modedisplacement addressing mode 通常用于数组、通常用于数组、矩阵类向量数据的矩阵类向量数据的存取：存取：寄存器寄存器值指值指定数组首址，定数组首址，立即立即数数指定组内偏移；指定组内偏移；微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计指数寻址方式指数寻址方式indexed addressing modeindex

14、ed addressing mode 通常用于数组、通常用于数组、矩阵类向量数据的矩阵类向量数据的存取：存取：寄存器寄存器1值指值指定数组首址，定数组首址，寄存寄存器器2指定组内偏移；指定组内偏移；微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计比例尺寻址方式比例尺寻址方式scaled addressing modescaled addressing mode用字节表示的操用字节表示的操作数的长度作数的长度位移量寻址位移量寻址+指数寻址指数寻址+自增自增/自减寻址自减寻址微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计PCPC相对寻址方式相对寻址方式Progra

15、m Counter-related addressing modeProgram Counter-related addressing mode 主要用在主要用在转移和跳转转移和跳转指令，指定汇编语言程指令，指定汇编语言程序码的内部位置作为序码的内部位置作为目的地址偏移量目的地址偏移量操作数。操作数。指令：指令：JUMP JUMP abeabe 操作：操作： PC PC abeabe = (PC)updated + = (PC)updated +immSign_extimmSign_ext当前指令取出当前指令取出后的后的PCPC值值出现在指令中出现在指令中微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理

16、器系统结构与嵌入式系统设计188188控制单元模型控制单元模型微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计189189CPUCPU内部结构内部结构nCPU包括包括算术和逻辑单元、累加器、程序计数器、算术和逻辑单元、累加器、程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序和控制部件指令寄存器、指令译码器、时序和控制部件微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计190190MIPSMIPS的总线型数据通道的总线型数据通道微指令: 寄存器到寄存器的传送 (17 个控制信号) MA PC means RegSel = PC; enReg=yes; ldMA= yesB

17、 Regrt meansenMemMAaddrdataldMAMemorybusyMemWrtBus32zero? A BOpSelldAldBALUenALUALUcontrol2RegWrtenRegaddrdatarsrtrd32(PC)31(Link)RegSel32 GPRs+ PC .32-bit Reg3rsrtrdExtSelIROpcodeldIRImmExtenImm2RegSel = rt; enReg=yes; ldB = yes微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计1911913.1.2 3.1.2 微处理器体系结构简介微处理器体系结构简介n

18、在设计计算机体系结构时，要考虑：在设计计算机体系结构时，要考虑：uCPU采用采用何种指令系统何种指令系统？u该计算机体系的该计算机体系的价格及性能之比价格及性能之比如何？如何？u这种计算机体系有销售市场吗？这种计算机体系有销售市场吗？n指令系统指令系统u指令格式指令格式u寻址方式寻址方式微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计192192处理器结构处理器结构n按照指令执行的按照指令执行的串行串行/并行及电路结构并行及电路结构不同不同划分，处理器结构分为划分，处理器结构分为六种六种微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计193193流水线结构流水线

19、结构n成功设计的流水线机器会要求在它的指令成功设计的流水线机器会要求在它的指令集设计及硬件设计之间达到一种平衡，因集设计及硬件设计之间达到一种平衡，因此设计流水线机器是一项比较困难的工作。此设计流水线机器是一项比较困难的工作。n此外，当流水线在并行地执行指令时，正此外，当流水线在并行地执行指令时，正执行的指令之间可能发生多种冲突执行的指令之间可能发生多种冲突(hazard)情况，所以在设计流水线机器时要预先考情况，所以在设计流水线机器时要预先考虑到可能的冲突，并且设法在设计时加以虑到可能的冲突，并且设法在设计时加以解决。解决。微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计19

20、4194指令的顺序执行和流水线执行指令的顺序执行和流水线执行 微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计195195流水线技术流水线技术 n理想流水线的性能：达到每一个时钟周期可以完成一条理想流水线的性能：达到每一个时钟周期可以完成一条指令指令n与指令串行执行相比较，速度提高与指令串行执行相比较，速度提高5倍倍 流水线是一种多条指令重叠执行的实现技术微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计1961963.2 3.2 指令系统设计指令系统设计n指令指令是规定是规定微处理器进行操作微处理器进行操作的命令，不的命令，不同类型的处理器具有同类型的处理器具有

21、不同的指令系统不同的指令系统n指令系统设计指令系统设计是是中央处理器设计中央处理器设计的基础，的基础，CPU的操作由其执行的指令来确定的操作由其执行的指令来确定n指令字由指令字由操作码、操作数和操作数地址操作码、操作数和操作数地址等等字段组成字段组成n一条指令的一条指令的地址字段和相关的寻址方式地址字段和相关的寻址方式对对CPU的组织结构有显著的影响，因此要仔的组织结构有显著的影响，因此要仔细考虑指令系统的结构设计细考虑指令系统的结构设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计1971973.2.1 机器指令要素n每条机器指令必定包含每条机器指令必定包含CPU执行所需的

22、信息。执行所需的信息。n机器机器指令要素指令要素u 操作码操作码(operation code)：指定将要完成的操作：指定将要完成的操作(如如ADD或或I/O等等)。这些二进制代码常简称为。这些二进制代码常简称为opcodeu 源操作数源操作数引用引用(source operand reference)：操作会：操作会涉及到一个或多个源操作数，这是操作所需的输入涉及到一个或多个源操作数，这是操作所需的输入u结果操作数结果操作数引用引用(result operand reference)：操作可：操作可产生一个结果产生一个结果u下一条指令下一条指令引用引用(next instruction re

23、ference)：告诉：告诉CPU这条指令执行完后到哪里取下一条指令，通常下这条指令执行完后到哪里取下一条指令，通常下一条指令一条指令紧跟之后紧跟之后，因此，因此不显式引用不显式引用微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计198198 指令周期状态图指令周期状态图 微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计199199操作数存储位置操作数存储位置n主存或虚存主存或虚存：与下一条指令的引用一样，必须提：与下一条指令的引用一样，必须提供主存或虚存的地址供主存或虚存的地址nCPU寄存器寄存器：除极少数例外，一个：除极少数例外，一个CPU总有总有一个一个或

24、多个或多个能被机器指令访问的能被机器指令访问的寄存器寄存器。若只有一个。若只有一个寄存器，则对它的引用可以是隐式的；若不止一寄存器，则对它的引用可以是隐式的；若不止一个寄存器，则每个寄存器要指定一个唯一的编号，个寄存器，则每个寄存器要指定一个唯一的编号，指令提供所需寄存器的指令提供所需寄存器的寄存器编号寄存器编号nI/O设备设备：需要：需要I/O操作的指令必须指定操作的指令必须指定I/O模块或模块或设备设备。若使用存储器映射。若使用存储器映射(memory-mapped)I/O方式，则只是另一类主存或虚存地址。方式，则只是另一类主存或虚存地址。微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与

25、嵌入式系统设计2002003.2.2 指令格式n指令格式：指令指令格式：指令要素的组织形式要素的组织形式，即构成，即构成指令的指令的位串的组织形式位串的组织形式。这些位串划分成。这些位串划分成几个字段几个字段n指令集通常指令集通常不止一种不止一种指令格式。指令格式。n处理器使用的一般指令格式：处理器使用的一般指令格式：微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计201201指令格式的要素指令格式的要素n指令格式取决于计算机指令系统的机器代码表示。指令格式取决于计算机指令系统的机器代码表示。u操作码操作码，定义了将要执行的操作，二进制编码，定义了将要执行的操作，二进制编码，编

26、码位数编码位数决定了指令类型数目决定了指令类型数目u操作数，源操作数和目的操作数在源操作数和目的操作数在存储器和存储器和(或或)寄存器寄存器中所在中所在位置的信息位置的信息。这些位置都用。这些位置都用地址地址以及各种寻址方式以及各种寻址方式加以指定。加以指定。u操作数的数据类型。n可选要素u立即数：操作数作为指令的构成部分直接给出u位移量：操作地址的补充信息u附加信息微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计202202指令操作指令操作n操作码和操作数操作码和操作数是机器指令的两个最重要的部分。是机器指令的两个最重要的部分。u操作码操作码字段定义了字段定义了具体的何种操作

27、具体的何种操作，体现了计算机在，体现了计算机在软件方面的执行功能软件方面的执行功能特性特性u操作数操作数由由地址字段地址字段给出给出获得数据的方法获得数据的方法，由，由地址信息地址信息和寻址方式和寻址方式共同决定，往往需要硬件电路的变换得到共同决定，往往需要硬件电路的变换得到最终的最终的地址地址，进而，进而选中选中相应的单元并相应的单元并获得操作数获得操作数，因，因此决定了计算机的硬件电路结构此决定了计算机的硬件电路结构n指令系统包含许多不同类型的指令。其中，二元指令系统包含许多不同类型的指令。其中，二元操作操作(binary operation)是一种基本操作类型，要是一种基本操作类型，要使

28、用三个操作数地址使用三个操作数地址u二元操作二元操作包含包含两个源操作数两个源操作数和和一个目的一个目的(结果结果)操作数操作数，每一个操作数可以定位在每一个操作数可以定位在存储器或寄存器存储器或寄存器中。中。 微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计203203二元操作数获得的方法二元操作数获得的方法n提供提供3个操作数地址的个操作数地址的缺点缺点：指令编码长指令编码长，译码电路复杂，执行时间长译码电路复杂，执行时间长n一个操作数指定为一个操作数指定为存储器存储器，其余为，其余为寄存器寄存器u衍生出：衍生出：存储器与寄存器存储器与寄存器，寄存器与寄存器寄存器与寄存器u

29、例：例：MOV A,2000H, MOV A,Bn操作数操作数地址隐含地址隐含在指定的寄存器中在指定的寄存器中u寄存器寄存器间接寻址间接寻址u例：例：MOV A,B微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计204204机器指令符号表示法机器指令符号表示法n由于直接与机器指令由于直接与机器指令二进制表示二进制表示法打交道很困难，法打交道很困难，于是普遍使用的是于是普遍使用的是机器指令符号表示机器指令符号表示法法(symbol representation)。n操作码操作码可缩写成可缩写成助记符(mnemonic)来表示。常见来表示。常见的例子有的例子有uADD加加uSUB减

30、减uMUL乘乘uDIV除除uLOAD由存储器装入由存储器装入uSTOR存入存储器存入存储器微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计2052053.2.3 指令类型n计算机的目的是运算，如何获得计算机的目的是运算，如何获得原始数据原始数据？数据数据输入输入n中间结果中间结果、复杂运算的、复杂运算的部分结果部分结果怎么办？怎么办？数据存数据存储储n条件运算条件运算，分支判断分支判断，异常异常情况如何处理？情况如何处理？转移转移n将指令按功能分成如下四类将指令按功能分成如下四类u 数据处理数据处理：算术和逻辑指令；：算术和逻辑指令；u 数据存储数据存储：存储器指令；：存储器指

31、令；u 数据输入数据输入/输出输出：I/O指令；指令；u 控制控制：测试和转移指令。：测试和转移指令。微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计2062063.2.4 寻址方式n寻址方式寻址方式：寻找、获得寻找、获得操作数所在操作数所在地址地址的方法的方法u例如，指令的例如，指令的操作数字段操作数字段有有寄存器号寄存器号，并不一定表示操作数就在，并不一定表示操作数就在该寄存器中。而可能是寄存器中包含了指向该寄存器中。而可能是寄存器中包含了指向存储器的指针存储器的指针，操作，操作数是在数是在存储器存储器中中u寻址方式寻址方式是是指令指令的组成部分，同时含有寄存器的信息的组成

32、部分，同时含有寄存器的信息微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计2072074 4类寻址方式类寻址方式n被寻址的操作数可以存在于被寻址的操作数可以存在于指令码内、寄指令码内、寄存器内、存储器单元内或汇编语言程序存器内、存储器单元内或汇编语言程序内内部的某一位置，有下面部的某一位置，有下面4类寻址方式：类寻址方式：u在指令码中指定操作数：操作数已经在指令码中指定操作数：操作数已经是指令的是指令的构成部分构成部分u在寄存器中指定操作数：指令中指明了在寄存器中指定操作数：指令中指明了寄存器寄存器作为作为操作数操作数的存储位置的存储位置u指定存储器中的操作数：指令中通过一定方

33、式指定存储器中的操作数：指令中通过一定方式指明了指明了存储单元存储单元u在汇编语言在汇编语言程序内部程序内部指定一个位置指定一个位置微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计2082081在指令码中指定操作数n立即数寻址方式立即数寻址方式(immediate addressing mode) ：操作数是指令的：操作数是指令的组成部分组成部分n不灵活，只能为不灵活，只能为原始数据原始数据，不能为结果不能为结果微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计2092092在寄存器中指定操作数n寄存器直接寻址方式寄存器直接寻址方式(register direct

34、 addressing mode)：指明寄存器：指明寄存器n采用这一寻址方式，指令在它的地址字段采用这一寻址方式，指令在它的地址字段中指定一个寄存器号，而被指定的寄存器中指定一个寄存器号，而被指定的寄存器的内容就是操作数，即的内容就是操作数，即寄存器号是一个指寄存器号是一个指针针，它直接指向该寄存器中的操作数。，它直接指向该寄存器中的操作数。 微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计2102103指定存储器中的操作数l(1)存储器直接寻址方式存储器直接寻址方式l(2)寄存器间接寻址方式寄存器间接寻址方式l(3)存储器间接寻址方式存储器间接寻址方式l(4)位移量寻址方式位

35、移量寻址方式l(5)指数寻址方式指数寻址方式l(6)自增和自减寻址方式自增和自减寻址方式l(7)比例尺寻址方式比例尺寻址方式微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计211211(1)存储器直接寻址方式n在指令格式中指定一个在指令格式中指定一个立即数作为存储器立即数作为存储器地址地址。这种在指令码中包含存储器地址的。这种在指令码中包含存储器地址的寻址方式称为寻址方式称为存储器直接寻址方式(memory direct addressing mode)， 微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计212212(2)寄存器间接寻址方式n将将存储器地址指定在

36、寄存器存储器地址指定在寄存器中。这样就定中。这样就定义了寄存器间接寻址方式义了寄存器间接寻址方式(register indirect addressing mode)，它让寄存器内容指向，它让寄存器内容指向一个可访问到操作数的存储器单元。一个可访问到操作数的存储器单元。 微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计213213(3)(3)存储器间接寻址方式存储器间接寻址方式 微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计214214(4)(4)位移量寻址方式位移量寻址方式 微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计215215(5)(

37、5)指数寻址方式指数寻址方式 两个寄存两个寄存器的器的内容内容相加相加将给将给出读取所出读取所需元素的需元素的有效地址有效地址微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计216216(6)自增和自减寻址方式n专为在存储器中实现堆栈操作而设计的，专为在存储器中实现堆栈操作而设计的，分别称为自增寻址方式分别称为自增寻址方式(auto-increment addressing mode)和自减寻址方式和自减寻址方式(auto-decrement addressing mode)。n指令格式的地址字段指定一个称为指令格式的地址字段指定一个称为堆栈指堆栈指针寄存器针寄存器(SP)的专

38、用寄存器。该寄存器包的专用寄存器。该寄存器包含堆栈指针，总是指向现在的栈顶位置。含堆栈指针，总是指向现在的栈顶位置。n块操作指令块操作指令通常也是自增或自减的通常也是自增或自减的 微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计217217推入推入(PUSH) (PUSH) 、弹出、弹出(POP)(POP)操作操作其中： -(SP)表示SP先做指针自减操作，再将数据压入堆栈； (SP)+表示数据弹出后，SP再做指针自加操作。 微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计218218微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计219219微

39、处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计220220(7)(7)比例尺寻址方式比例尺寻址方式n将将位移量寻址方式位移量寻址方式和和指数寻址方式指数寻址方式相结合，则得相结合，则得到了一种通用的寻址方式，称为到了一种通用的寻址方式，称为比例尺寻址方式比例尺寻址方式n它要指定它要指定3个变量：一个个变量：一个立即数立即数imm，用做与位，用做与位置无关程序的位移量；置无关程序的位移量；两个寄存器两个寄存器Rs和和Rx，分别，分别用于指数寻址方式。用于指数寻址方式。n有效存储器地址有效存储器地址= imm+(Rs)+(Rx)d，u其中其中d是用字节表示的操作数的长度。是用字节表

40、示的操作数的长度。n(Rx)d意味着意味着(Rx)可以在循环程序的每一次迭代可以在循环程序的每一次迭代中简单地用一条指令增中简单地用一条指令增1或减或减1，而每一次迭代指，而每一次迭代指数的真实修改量由寻址方式自动安排。数的真实修改量由寻址方式自动安排。 微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计221221 比例尺寻址方式比例尺寻址方式 微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计2222224 4程序内部的程序内部的PCPC相对寻址方式相对寻址方式n程序指针相对寻址方式主要用在程序指针相对寻址方式主要用在转移和跳转转移和跳转指令指令中中n目的地址或

41、目的地址或目标地址目标地址被被指定为指定为汇编语言程序内部汇编语言程序内部的一个的一个标识标识。每一个。每一个标识附属标识附属在一条指令上在一条指令上n程序程序加载加载进入存储器时，进入存储器时，标识标识的值就的值就等于等于该该指令指令的地址的地址n程序进行汇编时，程序进行汇编时，标识标识便很容易地便很容易地变换为变换为相对程相对程序计数器序计数器(PC)的一个的一个偏移量偏移量。n使用这一寻址方式可以计算出一个目的地址，指使用这一寻址方式可以计算出一个目的地址，指向一条事先向一条事先指定的指令指定的指令，或作为转移控制之用，或作为转移控制之用 微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构

42、与嵌入式系统设计223223PCPC相对寻址方式相对寻址方式 nPC相对寻址相对寻址方式：指定汇编语言程序码的方式：指定汇编语言程序码的内部位置作为操作数内部位置作为操作数n例如例如JUMP abe ; PCabe = (PC)updated + immsign_extn(PC)updated表示当前指令取出后的表示当前指令取出后的PC值，值，immsign_ext表示表示imm，可以是一个符号，可以是一个符号位扩展的有符号数位扩展的有符号数(补码补码)。n利用此公式可以计算出利用此公式可以计算出imm为为abe的函数的函数)微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计22

43、42245寻址方式的实例(80 x86)nD：源操作数：源操作数uD=0，则，则reg域指定的寄存器用作源操作数域指定的寄存器用作源操作数uD=1，则，则reg域指定的寄存器用作目的操作数，而源操作数可来自域指定的寄存器用作目的操作数，而源操作数可来自r/m域中的存储器或寄存器域中的存储器或寄存器nW：表示操作数是：表示操作数是8位还是位还是16位位uW=0，指令中两个操作数均为，指令中两个操作数均为8位，位，W=1，则为，则为16位位微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计225225微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计226226举例举例

44、n例：写出指令例：写出指令MOV BX+DI-6,CL的机器语言编码的机器语言编码微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计227227ARMARM指令编码格式指令编码格式uOpcode：指令操作码。ucond：指令的条件码。uS：决定指令的操作是否影响cpsr的值。uRd：目标寄存器编码。uRn：包含第一个操作数的寄存器编码。uOperand2：第2操作数。CondOpcodeSRnRdOperand2011121516192021242527283178微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计2282283.2.5 指令系统设计n指令系统设计需

45、考虑的因素指令系统设计需考虑的因素u满足编程要求。程序员的。程序员的软件接口软件接口，必须考虑，必须考虑编程的便编程的便利和效率利和效率u实现技术。处理器的。处理器的硬件实现硬件实现，芯片硬件设计实现的，芯片硬件设计实现的经经济性济性。流水线是实现高性能处理机的流行技术，指令系。流水线是实现高性能处理机的流行技术，指令系统设计有利于统设计有利于流水线的实现流水线的实现u计算机的综合性能。CPU执行时间与每一类型指令的平执行时间与每一类型指令的平均执行时间均执行时间CPI和时钟频率和时钟频率有关。有关。最常用的指令类型最常用的指令类型尽尽可能快速执行，而可能快速执行，而最耗费时间最耗费时间(但最

46、少用但最少用)的指令类型应的指令类型应从指令系统中去掉，改用软件实现。这是计算机结构师从指令系统中去掉，改用软件实现。这是计算机结构师在设计指令系统时总是要面对的一个在设计指令系统时总是要面对的一个硬件和软件之间权衡的问题的问题u向后兼容。这实际上是指令系统设计中的一个限制而不这实际上是指令系统设计中的一个限制而不是有利因素。是有利因素。Pentium系列便是一个典型例子。系列便是一个典型例子。微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计229229指令类型指令类型 n数据移动指令。数可以存在于存储器和寄存器中，数可以存在于存储器和寄存器中，也可以是在指令码内部指定的立即数

47、。也可以是在指令码内部指定的立即数。 uCOPY或或DUPLICATE(复制复制) ，MOVE(移动移动) ，LOAD(载入载入)，PUSH(推入堆栈推入堆栈)和和POP n算术逻辑运算指令。大多数计算机都提供了基本。大多数计算机都提供了基本算术指令算术指令u整数的整数的ADD(加加)，SUB(减减)，MUL(乘乘)和和DIV(除除)n控制指令。控制指令在汇编语言级实现高级语言控制指令在汇编语言级实现高级语言构造构造if-then-else，while-do，case和和goto的能的能力力u两个子类：两个子类：BRANCH(转移转移)和和JUMP(跳转跳转)微处理器系统结构与嵌入式系统设计微

48、处理器系统结构与嵌入式系统设计2302303.3 随机逻辑（硬连接）体系结构3.3.1 随机逻辑体系结构的特点n逻辑门数的逻辑门数的最少化最少化u对硬件对硬件逻辑设计逻辑设计进行进行优化优化u尽可能尽可能少用触发器少用触发器(flip-flop)n优化硬件时序优化硬件时序以增强性能以增强性能u将总的逻辑门将总的逻辑门级数最小化级数最小化，减少延时，减少延时u建立建立并行逻辑通路并行逻辑通路的方法减少时序的约束和延时的方法减少时序的约束和延时u调整指令操作周期的长度，使之与时钟调整指令操作周期的长度，使之与时钟周期匹配周期匹配，发，发挥效率挥效率n采用采用简单指令集简单指令集u尽可能尽可能多使用

49、累加器多使用累加器，并且同时作为源及目的操作数，并且同时作为源及目的操作数u间接寻址时，间接寻址时，地址地址尽可能由指令尽可能由指令直接提供直接提供微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计2312313.3.2 随机逻辑体系结构的操作n1随机逻辑体系结构的硬件结构随机逻辑体系结构的硬件结构 控制器、数据通道控制器、数据通道微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计2322322取指令操作n所有指令操作可划分成：所有指令操作可划分成：u一个是一个是取指令周期取指令周期u一个是一个是指令执行周期指令执行周期n在取指令周期内，将进行如下一系列操作在取指令

50、周期内，将进行如下一系列操作u经过多路器经过多路器(MUX)，把，把程序计数器程序计数器的值的值(指令的指令的地址地址)选送到存储器选送到存储器u存储器存储器回送回送所期望的所期望的指令指令(或数据或数据)，然后它被，然后它被写入写入指令寄存器指令寄存器u同时，通过加法器将同时，通过加法器将程序计数器之值加程序计数器之值加1，并，并将其值作为新值回写入程序计数器将其值作为新值回写入程序计数器微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计233233 取指令操作取指令操作 微处理器系统结构与嵌入式系统设计微处理器系统结构与嵌入式系统设计2342343执行指令操作n存储器引用的指