微处理器设计：架构、电路及实现(虞志益,曾晓洋,魏少军著)思维导图

则 End=Base+Limit=10000000H+001FFH =100001FFH
例2-3
上例中，如G=1
(Limit=Limit 4K)
则End=Base+Limit=10000000H+001FFXXXH =100001FFFFFH
若Base=10000001H,则XXX=000H 000H--FFFH
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苏州大学计算机科学与技术学院
The paging system operates in both real and
protected mode. It is enabled by setting the PG bit to 1 (left most bit in CR0).(If set to 0, linear addresses are physical addresses). CR3 contains the page directory “physical” base address. The value in this register is one of the few “physical” addresses you will ever refer to in a running system. The page directory can reside at any 4K boundary since the low order 12 bits of the address are set to zero. The page directory contains 1024 directory entries of 4 bytes each. Each page directory entry addresses a page table that contains up to 1024 entries.

物理地址：存储器的绝对地址（20位的实际地址）， 范围从00000H～FFFFFH , 是由CPU访问存储器时由地址总线发出的地址。
存储器管理：将程序中逻辑地址转移为物理地址的机构。
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2020/10/30
补充：
微机原理与接口技术
物理地址的形成
15
0 210
段基址
0000
15
0
偏移地址
基址加法器
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2020/10/30
补充：
20位物理地址形成
微机原理与接口技术
物理地址： 在1M字节存储器里，每个存储单元都有一个唯一的20位地 址作为该存储单元的物理地址。
CPU访问存储器时，必须先确定所要访问的存储单元的物 理地址才能取出（或存入）该单元中的内容。
20位物理地址形成：由16位段地址和16位偏移地址组成。
15
+
0
16位段地址
0000
15
0
16位偏移地址
19
0
20位物理地址
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补充：
逻辑地址与物理地址
微机原理与接口技术
逻辑地址与物理地址概念
逻辑地址与物理地址概念如下页图所示。
逻辑地址：由段基址和段内偏移地址组成的地址， 段基址和段内偏移地址都是16位的无符号二进制数，
在程序设计时使用。
19
0
物理地址
逻辑地址与物理地址
段基址
2000H
20000H
逻
辑
段内偏移地址
......
地
5F62H
址
25F60H
25F61H
25F62H
25F63H

按寻址方式分类
根据指令的寻址方式，可以将指令集分为立即寻址 、寄存器寻址、内存寻址和位寻址等。
按长度分类
根据指令的长度，可以将指令集分为单字节 指令、双字节指令、三字节指令和四字节指 令等。
指令集实现方式
硬编码实现
通过硬件电路实现指令集中的所有指令，这种方 式速度快但灵活性差。
微编程实现
通过微程序控制单元实现指令集中的所有指令， 这种方式灵活性好但速度较慢。
《微处理器》PPT课件
目 录
• 微处理器简介 • 微处理器的体系结构 • 微处理器的指令集 • 微处理器的编程模型 • 微处理器的性能优化 • 微处理器的发展趋势
01
微处理器简介
微处理器的定义
微处理器是一种集成电路芯片， 它包含了计算机的中央处理器（
CPU）的主要功能。
微处理器是计算机系统的核心部 件，负责执行指令和处理数据。
并行计算技术
总结词
并行计算技术是利用多个处理器同时 执行多个任务，以提高整体计算性能 。
详细描述
并行计算技术通过将一个任务分解成 多个子任务，并分配给多个处理器同 时执行，大大加快了计算速度。这种 技术广泛应用于高性能计算、云计算 和大数据等领域。
低功耗技术
总结词
随着移动设备和便携式设备的普及，低功耗技术已成为微处理器发展的另一个重要趋势 。
微处理器的应用领域
01
02
03
04
计算机领域
个人电脑、服务器、超级计算 机等都离不开微处理器的支持
。
通信领域
手机、路由器、交换机等通信 设备中都有微处理器的身影。
工业控制领域
自动化生产线、机器人、智能 家居等都需要微处理器进行控

对比 UEST
C 区别：前者在CPU内部操作，后者需要发出存储器地址和存储器读信号
UEST 寄存器间接寻址方式
C
操作数 地址
将存储器地址指定在寄存 器中，即让寄存器内容指向 一个可访问到操作数的存储 器单元。
相当于C语言中的普通变量，变量地 址在寄存器中给出: register int addr = 0x30000000; int a = * addr;
UCEST3.3.3指令类型
指令按功能可分成以下三种基本类型：
1. 数据传输：将数据从一个地方（源地址）复制到另一个 地方（目的
地址），传输结束后源地址中的内容不变。
数据传送范围： R->R、R->M、M->R或M->M I/O
数据传送宽度：一般为固定值（如8、16或32bit），其它宽度的数据 传送一般可通过软件移位和合并操作来实现。
8.
int minute;
9.
int second;
10. } dateTime;
11. strcut dateTime dt;
UEST
C
变址寻址方式（索引寻址方式）
相当于C语言中的一维字符数组, Rs 存放数组首地址，Rx存放数组下标
UEST
比例尺寻址方式
C
(d = imm)
用字节表示的操 作数的长度
操作： PC ←[abe] = (PC)updated +（imm）sign_ext
表示当前指令取出 后的PC值
UCES指T 令集设计示例
假设某机器的字长是8位，支持常见的简单指令： 指令是双地址指令，源操作数采用2种寻址方式—寄 存器寻址(R0~R3)和立即寻址；目标操作数可采用2种 寻址方式－寄存器寻址和存储器直接。请为下述九条 机器指令设计可行的代码方案。

2. 4个功能部件
(1) 整数部件。整数部件称器及逻辑运算部件。此外， 整数部件还有一个由32个64位整数寄存器构成的整数 寄存器堆。
(2) 浮点部件。浮点部件称为F盒，即浮点运算器，包括 加法器、乘法器和专门的浮点除法器。
(3) 地址转换和装入/存储部件。地址转换和装入/存储部 件称为A盒，负责将整数/浮点数装入整数寄存器/浮点 寄存器，或者将寄存器中的数写入数据高速缓存。
力来提高指令并行度。采用创新的技术充分利用编译 程序提供的信息和调度能力来提高指令并行度。
（2）简化芯片逻辑结构，为提高主频和性能开辟道路。 信守工程设计上的一条基本原则，即“不是越复杂越 好，而是越简捷越好”。事实上，简捷的构思比复杂 的构思更困难。
（3）提供足够的资源来实现EPIC，包括存储编译程序 提供的信息以及提高并行计算效率所需的处理单元、 高速缓存和其他资源。
图16.2 Itanium 2 外观 •
图16.3 Itanium 2的框图
• Itanium 处理器具有64位内存寻址能力，能提供近 180GB物理内存。当处理非常庞大的数据集时，这种 巨大的物理内存空间对于服务器应用是非常重要的。
• 由于该处理器有充裕的并行处理能力，其内部有9个功 能通道（Itanium 2为11个），包括2个整数通道（I）、 2个浮点通道（F）、3个分支单元（B）、2个存取单 元（M）,所以对于执行代码中出现的分支，处理器采 用了一种非常有趣的处理方式：同时并行执行分支判 断、左分支和右分支。
(4) 控制部件。控制部件称为I盒，它采用了超标量流水 线技术。Alpha处理器采用多级流水，并分设两条流水 线：整数流水线及浮点流水线。从预取指令开始，随 后进行资源冲突分析，通过流水线控制，使指令按流 水处理方式执行。

型
4 7.2.4 编程模
型
5 7.2.5
OpenCL总结
7.4.2 设备
7.4.1 OpenCL 平台
7.4.3 OpenCL 上下文
7.5.1 程序 对象
7.5.2 内核 对象
7.6.1 创建内存 对象
7.6.2 查询缓冲 区信息
7.6.3 读、写和 复制缓冲区
7.6.4 映射缓冲 区
7.7.2 图像缩放
1.10.3 处理器架 构检测
1.10.4 ARMv8 架构主要特性
1.11.1 GCC对 ARMv8架构 的支...
1.11.2 QEMU模拟 器对 ARMv8...
第2章 汇编与编译技术入门
2.1 通过C/C++ 学习汇编语言
2.2 ARM64 NEON技术
2.3 RISC-V汇编 介绍
2.4 玩具编译器 mini_c的实现
7.2 OpenCL架 构
7.3 关于 OpenCL的例子
7.4 平台、上下 文、设备
7.6 缓冲区
7.5 程序对象和 内核对象
7.7 关于 OpenCL的案例
研究
7.1.1 什么 是OpenCL
7.1.2 OpenCL类 图
7.2.1 平台模 1
型
7.2.2 执行模 2
型
3 7.2.3 内存模
3.2.1
1
early_fixma
p_i...
3.2.2
2
setup_mac
hine_...
3 3.2.3
arm64_me mblock...
4 3.2.4
paging_init ()函...
5 3.2.5
bootmem_i nit()...

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学习汇编语言程序应注意的问题：
（1）要学好汇编语言的数据或地址的寻址方式、指令格式与功能和语句的语法。 要特别注意汇编语言程序中数据的定义和分配情况。 （2）汇编语言源程序形式上是语言，但本质上是算法，因此，要特别注意在汇 编语言环境下，有关结构化程序设计的编程方法。 （3）汇编程序有一个最大的特点就是与计算机的硬件联系很紧密。因此，要注 意结合硬件情况去编写或理解程序。 （4）对于硬件系统，要注意从系统的、总体的角度或方法来理解。 （5）要多上机实验，培养编程、调试等能力，务必对编程工具要十分的熟悉， 在实践中不断加深对基本知识的理解。
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1.3.3 微机软件系统 仅有硬件，只是具有了处理信息的基础。计算机
真正能进行处理信息，还必须要有软件配合，即各种 程序。
微机软件系统由两部分组成： 1．程序设计语言 （1）机器语言
（2）汇编语言
（3）高级语言
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汇编语言是一种用助记符和符号地址等来表示的面 向机器的程序设计语言。
些插槽相同序号的的插脚串接在一起，亦称为I／O通道。 通过这些插槽，可将外设I／O接口卡连接到系统总线上， 即把外设连接到主机。 •ISA、EISA 、VESA总线 •PCI总线 •LOCAL-BUS •AGP总线
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⑧ 键盘、鼠标器、扬声器接口 键盘、鼠标器、扬声器的接口电路一般直接集成在系
统主板上，由单片机（如 8742）来控制。它负责将键盘 按键产生的扫描码（键的位置信息）转换成能表示字符 的ASCll码，将鼠标器送来的电脉冲转换成光标的移动 数据，并产生相应中断把输入数据传送到CPU。它也能 将CPU给出的声音频率数据转换成脉冲频率信号驱动扬 声器发出声音。

03
学习如何在嵌入式系统中进行
硬件接口编程，如GPIO、 UART、SPI、I2C等
04
掌握嵌入式系统中常见的硬件抽
象层（HAL）和设备驱动程序开
发方法
05
学习如何使用仿真器和调试器
进行硬件调试和性能优化
06
06 微处理器与嵌入式系统的 未来发展
微处理器的发展趋势
高效能
随着技术的进步，微处理 器的处理能力将不断提升， 以满足更高性能计算的需 求。
05 嵌入式系统设计实践
嵌入式系统开发环境搭建
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总结词：掌握嵌入式系统开发环境搭建的方法和步骤
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详细描述
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了解嵌入式系统开发环境的基本组成和要求
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学习如何安装和配置嵌入式系统开发所需的软件和硬件工具， 如集成开发环境（IDE）、编译器、调试器等
03 微处理器指令集架构
指令集架构的定义与分类
01
总结词
指令集架构是微处理器中用于 执行指令的硬件结构，它定义 了指令集、寄存器、内存寻址 等基本功能。
03
02
总结词
04
详细描述
指令集架构可以分为复杂指令集 计算机（CISC）和精简指令集计 算机（RISC）两类。CISC架构强 调指令的复杂性和功能多样性， 而RISC架构则注重指令的简洁性 和执行效率。
指令集架构的性能评估是衡量其 执行效率的重要指标，包括指令 执行速度、内存访问速度、功耗 等。
详细描述
指令集架构的性能评估通常采用 基准测试程序进行评估，这些程 序通过模拟实际应用场景来测试 微处理器的性能。常见的性能评 估指标包括吞吐量、延迟、功耗 等。