计算机系统（一）期末复（yu）习（2）：冯诺依曼模型，指令与指令周期，LC-3指令集

前言

我爬

冯诺依曼模型

冯诺依曼模型是一种计算机架构模型，通过不同的设备组件实现复杂的可编程控制。

内存

内存基于门控存储电路，是一种临时存储设备，拥有读写两种操作。通过两个寄存器来实现读写：

名称	全名	作用
MAR	Memory Address Register	对该寄存器内数字对应的内存地址进行操作
MDR	Memory Data Register	内存操作的操作数。写时存放写的数据，读时存放读出来的数据

内存读写之 - - 读操作

1. 将要读的内存地址放入 MAR
2. 发 read 信号给内存，内存将 MAR 对应地址的数据存放到 MDR
3. 从 MDR 中取数据

内存读写之 - - 写操作

1. 将要写入的内存地址放入 MAR
2. 将要写入的数据放入 MDR
3. 发 write 信号给内存

运算单元

运算单元支持简单算数运算与逻辑运算，除此之外，运算单元需要寄存器来保存运算结果。

输入输出设备

通过 KBSR KBDR DSR DDR 来实现对键盘的读取和显示的输出。这些寄存器在后面的章节会详细介绍。

控制单元

通过 IR 和 PC 寄存器来实现指令的跳转。大部分情况在执行一条指令之后，PC都会++（顺序执行

名称	全名	作用
IR	Instruction Register	存放当前指令的内容。
PC	Program Counter	存放下一条要指向的指令的地址

指令表示

通过二进制数字来表示指令，一条完整的指令需要两个部分

1. 指令代号
2. 操作数

比如 ADD 指令，我们需要将 src1 src2 寄存器 中的数字相加，然后存到 dst 寄存器中

指令周期

一个指令被执行的全过程。

1. 取指令：根据 PC 寄存器从内存处取出指令的内容
2. 译码：知晓到底执行哪条指令（指令的高4位对应代号）
3. 地址计算：有的指令需要存取内存，需要进行地址计算，比如 PC + 偏移 寻址
4. 取操作数：从寄存器中取操作数
5. 执行：- - - - -
6. 存放结果：将执行结果存放到寄存器或者内存

LC-3寻址

根据操作数，从对应的内存地址中获取数据的行为，叫做寻址。LC-3中有三种方式获得内存中的数据。

1. 非内存寻址：直接从寄存器中取数
2. 直接寻址：通过指令中 操作数指定的寄存器 中的内容找到内存对应地址处的数据
3. 间接寻址：通过 pc+偏移 找到内存对应地址处的数据，其中偏移在指令的操作数中给出

LC-3指令集

LC-3是一种非常原始的指令集，它具有以下的特点：

1. 寻址空间为 16 bit 即一条指令长16bit
2. 地址空间为 16 bit，即 0 ~ 2^16 这么多地址可用
3. 有8个通用寄存器可以读写。3bit 表示一个寄存器
4. 拥有15个操作码，即15种不同的指令，4bit表示一条指令

除此之外，还有系统状态寄存器等等不可访问的寄存器。比如 nzp 条件码，nzp表示最后一次操作的结果，是负，零，正数。下面的指令表中，带+号的表示会改变nzp条件码。

运算指令

ADD 和 AND，都有两种模式，即立即数模式和寄存器模式。立即数是跟在指令后面的几位数字，通常用于简易运算，比如++运算中。

比如加法，立即数模式下，DR = SR + imm

特殊运算：按位取反

数据搬移指令

LD， LDI， LDR，ST，STI，STR

数据搬移指令分为读写两部分，先介绍读指令：

其中 LD 和 LDR 为直接寻址。LD使用 PC+偏移 找到内存地址并且取数据。LDR使用 基址寄存器内的数值+偏移 的方式找到内存地址并且取数据。

LDI 是间接寻址模式，即先找到内存PC+偏移 处的数据 x，将 x 作为地址，找内存 x 地址处的数据为最终结果。（即指针寻址）

ST 系列的指令是写操作，和读操作一致，故不重复细，直接图

流程控制指令

通过流程控制指令实现跳转与分支。其中

BR指令较为特殊，根据 nzp （某个寄存器中的字段）来确定是否跳转（有条件）。nzp表示 负，零，正。其中某些运算指令能够改变 nzp 的值，比如 ADD AND NOT LEA 等等

JMP 是绝对跳转，无条件。

JSR 与 JSRR 是函数（栈帧）调用时的跳转，会将返回地址压栈，并且改写系统状态，这在后面的章节细。

除此之外，TRAP是中断函数的调用，这个也会改变系统状态，后面细

LEA

LEA指令比较特殊，他是计算地址的指令。将 PC+偏移 的值计算好，存入目标寄存器。值得注意的是，LEA指令并不访问内存，仅仅只是计算而已。所以有时候可以用LEA进行简单的加减法。

题目

5.15

先将指令翻译一下：

LEA 	R1		32		即 R1 = pc + 0x20 = 。当前 pc = 0x3101（由左边可得），那么 R1 = 0x3121
LD		R2		32		即 R2 = 内存[pc+0x20]。当前 pc = 0x3102，那么 R2 = 内存[0x3122] = 0x4566
LDI		R3		32		即指针寻址 R3 = 内存[内存[pc+0x20]] = 内存[内存[0x3123]] = 内存[0x3567] = 0xABCD
LDR		R4	R2	1		即基址+偏移寻址。R4 = 内存[R2的值 + 1] = 内存[0x4566 + 1] = 0xABCD

哦 有答案了，那没事了