北京大学《计算机组成》陆俊林

冯诺依曼结构

(1) 计算机应由运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备共5个部分组成
(2) 数据和程序均以二进制代码形式不加区别地存放在存储器中，存放位置由存储器的地址指定
(3) 采用 “存储程序” 工作方式，即计算机在工作时能够自动地从存储器中取出指令加以执行

计算机结构模型

1. 模型机的控制器

(1) 指令寄存器 IR 存放正在执行或即将执行的指令，程序计数器存 PC 存放“下一条指令的存储单元地址”，具有自动增量计数的功能
(2) 存储器地址寄存器 MAR 存放需要读或写的存储单元的地址，存储器数据寄存器 MDR 存放需要读取或即将写入存储单元的数据
(3) 指令译码部件对 IR 中的指令进行译码，以确定IR中存放的是哪一条指令，控制电路根据指令产生控制信号，在时序脉冲的同步下控制各个部件的动作

2. 模型机的运算器

(1) R0 ~ Rn-1 是 $n$ 个通用寄存器，用于临时存放数据。数据可能来自存储器，也可能来自其它通用寄存器或 ALU 的输出
(2) 核心部件 ALU 用于完成算术运算和逻辑运算。X、Y、Z作为ALU 的数据暂存器，可视为 ALU 的一部分，X、Y 中的数据在 ALU 中进行运算，将运算结果送到 Z，运算结果的状态（零/正负/进位/溢出）送到 F。

3. 模型机的存储器

(1) 控制总线负责传递读、写、完成等控制信号，控制逻辑负责具体执行控制信号的操作
(2) 地址总线负责传送CPU正在读或写的存储单元的地址，传送的地址会暂时保存在 MAR；数据总线负责传送CPU正在读出或即将写入存储单元的数据，传送的数据会暂时保存在 MDR。
(3) 存储单元的位宽由编址方法确定，如果存储器按字节编址，则每个存储单元存放8位二进制数。存储单元的数量由地址总线的宽度确定，如果地址总线宽度为 $n$，则存储单元的总数为 $2^n$ 个。

指令执行过程

指令：ADD R0 , [6]

初始状态

初始状态时，寄存器 R0 保存的内容为 00000011，程序计数器 PC 保存的下条指令地址为 0001

取指
① 控制器将指令的地址送往存储器：控制器将指令地址从 PC 通过内部总线送到 MAR，再通过地址总线送到存储器的 MAR，同时控制器向存储器发出 Read 命令

② 存储器按给定的地址读出指令内容：存储器控制逻辑收到 Read 命令，指示地址译码器翻译 MAR 中的地址，然后根据地址读取该存储单元的内容，并传送到内存数据寄存器 MDR

③ 存储器将指令送回控制器：存储器将指令从存储器 MDR 通过数据总线传送到中央处理器 MDR，并将指令通过内部总线传送到 IR 以便继续执行

译码
控制器分析指令的操作性质，将二进制指令 10101010 译码为 ADD R0 , [6]，然后向有关部件发出指令所需的控制信号

执行
① 控制器从通用寄存器或存储器取出操作数：控制器根据指令 [6] 从存储单元 0110 获取数据至 MDR，然后将 R0 的内容传送至 X，MDR 的内容传送至 Y

② 控制器命令运算器对操作数进行指令规定的运算：控制器将 X 和 Y 的内容相加，输出运算结果至 Z，运算结果状态至 F

回写
将运算结果写入通用寄存器或存储器：控制器将 Z 保存的运算结果传送至 R0，指令执行完毕

MIPS指令集

MISP指令集的特点：

• 指令长度固定，简化取指操作
• 寻址模式简单，简化取数操作
• 指令数量少，功能简单，简化指令执行
• 只有 load 和 store 可以访问存储器

1. R型指令(Register)

rs(Source Register)：通常用于指定第一个源操作数所在的寄存器编号
rt(Target Register)：通常用于指定第二个源操作数所在的寄存器编号
rd(Destination Register)： 通常用于指定目的操作数（保存运算结果）的寄存器编号
shamt(shift amount)：用于指定移位指令进行移位操作的位数，非移位指令设为0

例：MIPS指令 add $8,$9,$10 对应的二进制代码

查询指令编码表，可知 opcode = 0 ，funct = 32，shamt = 0 (非移位指令)

根据操作指令数，可知 rd = 8(目的操作数)，rs = 9(第一个源操作数)，rt = 10(第二个源操作数)

2. I型指令(Immediate)

rt(Target Register)：I型指令指定用于目的操作数（保存运算结果）的寄存器编号

例：MIPS指令 addi $21,$22,-50 对应的二进制代码

查询指令编码表，可知 opcode = 8
根据操作指令数，可知 rt = 21(目的操作数)，rs = 22(源操作数)，immediate = -50(立即数)

3. 分支指令(Branch)

MIPS的分支指令也分为条件分支和非条件分支
条件分支：根据比较的结果改变控制流，包括两条指令 beq(==) 和 bne(!=)
非条件分支：无条件地改变控制流，包含一条指令 jump(j)