计算机组成与结构复习整理（五）

指令系统

基本概念

①程序员用各种语言编写的程序最后要翻译（解释或编译）成以指令形式表示的机器语言以后，才能在计算机上运行。计算机的指令有微指令、机器指令和宏指令之分。微指令是微程序级的命令，属于硬件；宏指令是由若干机器指令组成的，属于软件；机器指令介于二者之间，因而是硬件和软件的界面。
②一台计算机能执行的机器指令的集合统称位该机的指令系统。

指令格式

一般格式

操作码	地址码
OP	D

按指令所包含的地址个数将指令划分

a.三地址指令：（D1）OP（D2）→ D3
b.二地址指令：（D1）OP（D2）→D2
c.单地址指令：（D）OP （A）→ A(累加寄存器)
d.零地址指令：空操作、停机

指令长度

选取原则：
①指令长度应为存储器基本字长的整数倍。
②指令字长应尽量短。

寻址方式

①立即寻址：| OP | 操作数地址 |
②直接寻址：| OP | @间接地址 |
③间接寻址：| OP | Rx | D |
④变址寻址：| OP | Rb | D |
⑤基址寻址：
⑥相对寻址
⑦隐含寻址方式：
⑧其他寻址方式：
小结：

指令类型

设计一台计算机的指令系统的功能时，须考虑的几个原则：兼容性、完备性、均匀性、可扩充性。

指令类型

设计一台计算机的指令系统的功能时，须考虑的几个原则：兼容性、完备性、均匀性、可扩充性。

堆栈和堆栈存取方式

（1）寄存器堆栈：由若干移位寄存器构成，采用下压式进栈方式。
（2）存储器堆栈：内存中开辟堆栈区，存储单元固定，而栈顶位置动态变化。在CPU中专门设置了堆栈指针SP，指示栈顶位置，存取只能在栈顶进行。

入栈操作：①SP-1→SP ②存入数据→（SP）
出栈操作：①（SP）内容读出 ②SP+1→SP

入栈操作：①SP+1→SP ②存入数据→（SP）
出栈操作：①（SP）内容读出 ②SP-1→SP

中央处理机组织

CPU的三种实现方式

CPU的三种实现方式：组合逻辑、PLA、微程序控制。

CPU中的主要寄存器

指令寄存器（IR）、程序计数器（PC）、地址寄存器（AR）、缓冲寄存器（DR）、累加寄存器（AC）、状态条件寄存器（PSW）

单总线数据通路

CPU四项基本功能

A.读取某一主存单元的内容，并将其装入某一个CPU寄存器;
（1） MAR←[R1] R1out, MARin
（2） Read Read
（3） WMFC WMFC
（4） R2←[MDR] MDRout,R2in
B.把一个数据字从某一CPU寄存器存入某个给定的主存单元;
(1) MAR←[R1] R1out, MARin
(2) MDR←[R2] R2out, MDRin
(3) Write Write
(4) WMFC WMFC
C.把一个数据字从某一CPU寄存器送到另一个寄存器或ALU;
R4 ←R1 R1out, R4in
D.进行一个算术运算或逻辑运算，将结果送入某一CPU寄存器。
(1)Y ←[R1]; R1out, Yin
(2)Z←[R2]+[Y]; R2out, Add, Zin
(3)R3 ←Z; Zout, R3in

CPU时序控制方式

（1）同步控制方式：同步控制方式的时序信号通常由周期、节拍和脉冲组成。指令的运行过程分为取指令、读取操作数及执行三个基本工作周期。
（2）异步控制方式
（3）联合控制方式

CPU控制流程

（1）取出指令
（2）分析指令
（3）执行指令
（4）对异常情况和某些请求的处理

一条完整指令的执行

①Add （R3），R1

执行这条指令需要下列动作：
（1）取指令；
（2）取第一个操作数(由R3所指出的存储单元的内容)；
（3）完成加法运算；
（4）结果存入R1中。

步	操作	说明
1	PCout,MARin, Read,Clear Y,1→C0，Add, Zin	取指，(PC)+1
2	Zout,PCin,WMFC	(PC)+1→PC
3	MDRout,IRin	指令 → IR
4	R3out,MARin,Read	取数据
5	R1out,Yin,WMFC	(R1) → Y
6	MDRout,Add,Zin	相加
7	Zout,R1in,End	结果 →R1

②无条件转移指令的控制序列

步	动作
1	PCout, MARin, Read, Clear Y, 1 → C0, Add, Zin
2	Zout, PCin,WMFC
3	MDRout,IRin
4	PCout,Yin
5	（IR的偏移字段)out, Add, Zin
6	Zout, PCin, End

CPU性能设计

决定CPU性能最重要的三个因素：指令的功能强弱、时钟周期的长短、执行每条指令所需时钟周期数。
（1）多总线组织
（2）指令流水
（3）指令发射与完成策略
（4）动态执行技术
（5）一个完整的CPU