初試計(jì)算機(jī)組成原理lecture

1、第二單元第一講控制器概述 指令和指令系統(tǒng)主要內(nèi)容和教學(xué)安排第一講第二講第三講第四講第五講第六講第七講第八講第九講第十講控制器概述指令系統(tǒng)指令格式尋址方式指令功能及實(shí)現(xiàn)單周期CPU設(shè)計(jì)多周期CPU設(shè)計(jì)指令流水基本概念流水中的結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)控制、中斷的解決方案THINPAD介紹大實(shí)驗(yàn)大實(shí)驗(yàn)輔導(dǎo)及檢查(1)大實(shí)驗(yàn)輔導(dǎo)及檢查(2)第十一講大實(shí)驗(yàn)輔導(dǎo)及檢查(3)2重點(diǎn)和難點(diǎn)單條指令功能的實(shí)現(xiàn)如何設(shè)計(jì)指令的數(shù)據(jù)通路？如何劃分指令的執(zhí)行步驟?如何根據(jù)指令得到控制信號(hào)？機(jī)器語言程序的自動(dòng)執(zhí)行指令之間如何銜接？提高性能在不增加太多硬件的情況下如何提高性能？實(shí)現(xiàn)途徑控制信號(hào)生成：組合邏輯或微程序程序自動(dòng)執(zhí)行： PC

2、、節(jié)拍和下地址指令系統(tǒng)：RISC和CISC提高性能：指令流水3計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)功能數(shù)據(jù)總線地址總線控制總線4計(jì)算機(jī)設(shè)備計(jì)算機(jī)主機(jī)數(shù)據(jù)運(yùn)算計(jì)算機(jī)控制接口線路接口線路數(shù)據(jù)輸入數(shù)據(jù)輸出設(shè)備設(shè)備計(jì)算機(jī)的 CPU控制器的作用計(jì)算機(jī)的基本功能執(zhí)行程序程序的指令序列控制器的作用根據(jù)指令的要求，提供給各相應(yīng)的控制信號(hào)，指揮、協(xié)調(diào)各共同完成指令規(guī)定的功能自動(dòng)執(zhí)行下一條指令指令執(zhí)行取指令 分析指令執(zhí)行指令5單周期CPU6指令與指令系統(tǒng)指令與指令系統(tǒng)的概念指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求指令功能和分類指令格式變長指令字/定長指令字操作碼擴(kuò)展尋址方式7指令與指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由硬件和兩大部分組成。硬件指由設(shè)備等組成的實(shí)際裝置。處理器、

3、器以及是為了使用計(jì)算機(jī)而編寫的各種系統(tǒng)的和用戶的程序，程序由一個(gè)序列的計(jì)算機(jī)指令組成。指令是計(jì)算機(jī)運(yùn)行的最小的功能單元，是指揮計(jì)算機(jī)硬件運(yùn)行令，是由多個(gè)二進(jìn)制位組成的位串，是計(jì)算機(jī)硬件可以直接識(shí)別和執(zhí)行的一個(gè)信息體。一臺(tái)計(jì)算機(jī)提供的全部指令該計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)。指令用于程序設(shè)計(jì)告知計(jì)算機(jī)執(zhí)行一個(gè)最基本運(yùn)算、處理功能，多條指令可以組成一個(gè)程序，完成一項(xiàng)預(yù)期的任務(wù)。8指令系統(tǒng)的地位可以從 6 個(gè)層次分析和看待計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的基本組成。指令系統(tǒng)層處在硬件系統(tǒng)和軟高級(jí)語言層軟件系統(tǒng)件系統(tǒng)之間，是硬、之間的接匯編語言層口部分，對(duì)兩部分都有重要影響。硬件系統(tǒng)用于實(shí)現(xiàn)每條指令的功能，解決指令之間的銜接關(guān)系；由按一

4、定規(guī)則組織起來的許多條指令組成，完成一定的數(shù)據(jù)運(yùn)算或者事務(wù)處理功能。操作系統(tǒng)層指令系統(tǒng)層硬件系統(tǒng)微微體體系系結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)層層數(shù)字邏輯層指令系統(tǒng)優(yōu)劣是一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是否成功的關(guān)鍵。9指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求完備性指令功能齊全、編程方便規(guī)整性指令格式簡單、高效性占內(nèi)存少，運(yùn)行高效兼容性同一系列兼容10計(jì)算機(jī)中需配備的指令指令是用戶使用計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)本身運(yùn)行的最小的功能單元： 指令是由多個(gè)二進(jìn)制位組成的數(shù)串, 用于設(shè)計(jì)程序, 計(jì)算機(jī)硬件可直接識(shí)別和執(zhí)行。通常情況下一臺(tái)計(jì)算機(jī)需要提供哪些指令呢？計(jì)算機(jī)用于計(jì)算和處理數(shù)據(jù)，為此，要在計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)中設(shè)置 5 種類型的：運(yùn)算器、控制器、器、輸入設(shè)備、輸出設(shè)備，各自承擔(dān)

5、數(shù)據(jù)運(yùn)算、系統(tǒng)指揮控制、保存當(dāng)前程序和數(shù)據(jù)、執(zhí)行輸入和執(zhí)行輸出的功能。需要在計(jì)算機(jī)中設(shè)置為使用和控制這幾個(gè)運(yùn)行的相應(yīng)指令。11使用硬件系統(tǒng)的基本指令A(yù)DD SUB AND OR MVRR SHR RCLJUMP JRC CALL RETSTORE PUSHOUTINLOAD POP12指令的功能和分類指令用于設(shè)計(jì)程序，指令系統(tǒng)最低級(jí)別的程序設(shè)計(jì)語言，程序設(shè)計(jì)通過指令直接指揮計(jì)算機(jī)的硬件完成某一個(gè)基本的運(yùn)算、處理功能，例如：對(duì)數(shù)值數(shù)據(jù)的算術(shù)運(yùn)算，對(duì)邏輯數(shù)據(jù)的邏輯運(yùn)算，在計(jì)算機(jī)之間傳送、保存數(shù)據(jù)，從外部向計(jì)算機(jī)內(nèi)輸入數(shù)據(jù)，把計(jì)算機(jī)計(jì)算結(jié)果輸出出來，按照某種條件控制計(jì)算機(jī)選擇執(zhí)行某，當(dāng)然還有另外一些

6、方面的更次的要求等；可以按照指令執(zhí)行的功能對(duì)它們進(jìn)行分類。13指令的功能和分類算術(shù)與邏輯運(yùn)算指令加、減、乘、除、變符號(hào)等算術(shù)運(yùn)算與、或、非、異或等邏輯運(yùn)算移位操作指令算術(shù)移位（一般只右移）、邏輯移位、循環(huán)移位數(shù)據(jù)傳送指令通用寄存器之間傳送通用寄存器與主器單元之間傳送主器不同單元之間傳送輸入輸出指令通用寄存器與輸入輸出設(shè)備（接口）之間傳送14指令的功能和分類轉(zhuǎn)移指令變動(dòng)程序中指令執(zhí)行次序的指令，分為無條件轉(zhuǎn)移指令和條件轉(zhuǎn)移指令子程序調(diào)用與返回指令調(diào)用指令與返回指令二者要配合使用，子程序的最后一條指令一定是返回指令，執(zhí)行結(jié)束后返回主程序斷點(diǎn)堆棧操作指令堆棧（stack）是由若干個(gè)連續(xù)單元組成的先進(jìn)

7、后出的區(qū)，有壓入（即進(jìn)棧）和彈出（即退棧）操作其他指令置條件碼指令、開中斷指令、關(guān)中斷指令停機(jī)指令、空操作指令、指令15指令表示指令中的內(nèi)容，包括指令操作碼（指令完成的運(yùn)算處理功能和數(shù)據(jù)類型）和 操作數(shù)或指令的地址（指明用到的數(shù)據(jù)或地址）兩部分。例如：算邏運(yùn)算中的運(yùn)算功能，數(shù)據(jù)來源或結(jié)果去向數(shù)據(jù)傳送指令中的數(shù)據(jù)原來位置和新的位置輸入輸出指令中用到的設(shè)備和數(shù)據(jù)來、去的位置轉(zhuǎn)移指令的轉(zhuǎn)移類別、轉(zhuǎn)移條件和轉(zhuǎn)移地址等每一條指令必須指明它需要完成的功能，通常用幾位指令操作碼表示；還需要指明用到的數(shù)據(jù)、地址或設(shè)備，通常在地址字段給出，可能是:(1) 寄存器，(2) 設(shè)備端口地址，(4) 數(shù)值 等幾種信息。

8、器的單元地址(3)16指令格式與指令字長指令字長是指組成一條指令的二進(jìn)制數(shù)的位數(shù)，例如 8 bits、16 bits、32 bits、64 bits等，指令格式與指令字長密切相關(guān)，指令字越長可以給出的信息越多。一個(gè)指令字通常由指令操作碼和操作數(shù)地址兩部分組成，如何把一個(gè)指令字劃分成多個(gè)字段并分配各字段所表示的內(nèi)容大有學(xué)問。TEC-2000 指令格式 (16位)MIPS 指令格式 (32位)17oprsrtimmediateopdrsrio port/offsetoprsrtrdsafunc指令格式指令字：完整的一條指令的二進(jìn)制表示指令字長：指令字中二進(jìn)制代碼的位數(shù)機(jī)器字長：計(jì)算機(jī)能直接處理的二

9、進(jìn)制數(shù)據(jù)的位數(shù)指令字長（字節(jié)倍數(shù)）0.5、1、2個(gè)機(jī)器字長定長指令字結(jié)構(gòu) vs. 變長指令字結(jié)構(gòu)指令格式：指令字中操作碼和操作數(shù)地址的二進(jìn)制位的分配方案操作碼：指明本條指令的操作功能，每條指令有一個(gè)確定的操作碼操作數(shù)地址：說明操作數(shù)存放的地址，有時(shí)是操作數(shù)本身18操作碼組織與編碼定長的操作碼的組織方案在指令字最部分分配固定若干位用于表示操作碼，有利于簡化計(jì)算機(jī)硬件設(shè)計(jì)，提高指令譯碼和識(shí)別速度例如：IBM360機(jī)、 THINPAD教學(xué)機(jī)變長的操作碼的組織方案在指令字最部分用一固定長度的字段來表示基本操作碼，而對(duì)于部分操作數(shù)地址位數(shù)可以少的指令，則把另外多位輔助操作碼擴(kuò)充到該操作數(shù)地址字段，即操作

10、碼位數(shù)可變。這種方法在不增加指令字長的情況下，可表示的指令,但增加了譯碼和分析難度，要求的硬件支持例如：PDP-11計(jì)算機(jī)、TEC-2000的 8位機(jī)19操作碼組織與編碼操作碼字段與操作數(shù)地址字段有所交叉的方案不同指令的操作碼長度可以不同，表示操作碼所用到的一些二進(jìn)制位不再集中在指令字的最部分，而是與用于表示操作數(shù)地址的一些字段有所交叉，操作碼還被區(qū)分為主操作碼和輔助操作碼這樣不同的兩部分，這是一種比較特殊、不很常用的方案。例如：NOVA (DJS-130) 計(jì)算機(jī)就采用這種方案20操作數(shù)個(gè)數(shù)與來源指令操作數(shù)個(gè)數(shù)無操作數(shù)指令（零地址指令）單操作數(shù)指令（一地址指令）雙操作數(shù)指令（二地址指令）三操

11、作數(shù)指令（三地址指令）多操作數(shù)指令（多地址指令）指令操作數(shù)來源和去向CPU的通用寄存器輸入輸出設(shè)備（接口）的一個(gè)寄存器主器的一個(gè)單元21OPA1A2OPA1A2A3OPA1A2指令操作碼的擴(kuò)展技術(shù)假設(shè)某機(jī)器的指令長度為16位，包括 4位基本操作碼和三個(gè) 4位地址碼段。15 12118 74304 位基本操作碼可表示 16個(gè)狀態(tài)，如用 4 位操作碼，則能表示若用 8 位操作碼，則可表示16條三地址指令，256 條二地址指令，而用12位操作碼，則可表示 4096條一地址指令，若16位全用作操作碼，則可表示 65536條零地址指令22OPA1A2A3指令操作碼的擴(kuò)展技術(shù)若需要在16位字長的指令中能夠

12、同時(shí)支持三地址、二地址、一地址指令各15條，零地址指令16條，則可 以選用如下方案的變長操作碼實(shí)現(xiàn)：15條三地址指令的操作碼為：0000111015條二地址指令的操作碼的高 4 位選用 1111，低 4 位用 0000 1110,即得到: 11110000 11111110條一地址指令的操作碼的選用,低 4 位用 0000 1110, 即: 111111110000 11111111111016條零地址指令的操作碼的高 12位每位均用1，低 4 位隨意,即:1111111111110000111111111111111123指令操作碼擴(kuò)展技術(shù)前面介紹的操作碼擴(kuò)展方案中，每次擴(kuò)展4位并僅保留了一

13、個(gè)編碼用于接下來的擴(kuò)展過程，當(dāng)每次擴(kuò)展的位數(shù)和保留的位數(shù)變化時(shí)，后面可擴(kuò)展的指令條數(shù)就可以變化。例如在16位字中的指令字中，可以選用如下方案支持三地址指令、二地址指令、一地址指令和零地址指令14、30、31、16條：14條三地址為：0000 1101 (保留1110、1111 兩個(gè)碼)30條二地址為：11100000 11111101 （保留 2個(gè)碼）31條一地址為：111111100000 111111111110(保留 1個(gè)碼)16條零地址為：1111111111110000111111111111111124指令操作碼擴(kuò)展技術(shù)( PDP11 指令為例 )指令字長有 16 位、32 位、4

14、8 位三種(1字、2字、3字)零地址 (16 位)3位3位16一地址 (16 位)106二地址 RR (16 位)二地址 R M (32 位)OP4源地址6目的地址6二地址 M M (48 位)10616OP4源地址目的地址66161625OP目的地址器地址IBM 360指令格式RR格式二地址 RR844二地址 RMRX格式基址加變址尋址844412三地址 R基址尋址MRS格式844412M立即數(shù)基址尋址SI格式88412二地址 MM基址尋址SS格式88412412261D1B2D2DOPR1R3BDOPR1XBDOPR1R2尋址方式尋址方式（又稱編址方式）指的是確定本條指令的操作數(shù)地址及下一

15、條要執(zhí)行的指令地址的方法。不同的計(jì)算機(jī)系統(tǒng),使用數(shù)目和功能不同的尋址方式，其實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜程度和運(yùn)行性能各不相同。有的計(jì)算機(jī)尋址方式較少，而有些計(jì)算機(jī)采用多種尋址方式。通常需要在指令中為每一個(gè)操作數(shù)專設(shè)一個(gè)地址字段，用來表示數(shù)據(jù)的來源或去向的地址。在指令中給出的操作數(shù)（或指令）的地址被稱為形式地址，使用形式地址信息并按一定規(guī)則計(jì)算出來或讀操作得到的一個(gè)數(shù)值才是數(shù)據(jù)（或指令）的實(shí)際地址。在指令的操作數(shù)地址字段，可能要：運(yùn)算器中的累加器的或寄存器名稱（）輸入/輸出指令中用到的 I/O 設(shè)備的入出端口地址內(nèi)器的一個(gè)單元（或一 I/O設(shè)備 ）的地址有多種 基本尋址方式 和某些 復(fù)合尋址方式 ,簡介如下。2

16、7立即數(shù)尋址所需的一個(gè)操作數(shù)在指令的地址字段部分直接給出。O28在指令的地址碼字段，直接給出所需的操作數(shù)(或指令) 在器中的地址。O29計(jì)算機(jī)的CPU中設(shè)置有一定數(shù)量的通用寄存器，用于存放操作數(shù)、操作數(shù)地址或中間結(jié)果。假如指令地址碼字段給出某一通用寄存器的(地址)，且所需的操作數(shù)就在這一寄存器中，這就是寄存器尋址方式；若該寄存器中存放的是操作數(shù)在內(nèi)器中所在單元的地址，這就是寄存器間接尋址方式?？赏ㄟ^指令的操作碼或另設(shè)一個(gè)字段，來區(qū)分這兩種不同的尋址方式。O30操作數(shù)的地址由指定的變址寄存器（由Reg指定）的內(nèi)容和指令中的變址偏移量（Disp）相加得到。O31指令的地址由程序計(jì)數(shù)器PC 的內(nèi)容（

17、即當(dāng)前執(zhí)行指令的地址）和指令的相對(duì)尋址偏移量相加得到。O32指令的地址碼字段給出的內(nèi)容既不是操作數(shù)，也不是操作數(shù)的地址，而是操作數(shù)（或指令）地址的地址，這被稱為間接尋址方式，多一次讀內(nèi)器的操作。O33在計(jì)算機(jī)中設(shè)置一個(gè)的基址寄存器，操作數(shù)（或指令）的地址通過基址寄存器的內(nèi)容和指令中的地址碼相加得到。OPDisp34堆棧尋址堆棧是內(nèi)器中一塊按 “后進(jìn)先出” 原則進(jìn)行讀寫的區(qū)，并通過一個(gè)的寄存器 (稱為堆棧指針 SP ) 給出堆棧的棧頂?shù)刂?，?zhí)行讀寫堆棧操作通常棧頂進(jìn)行，故不必在指令中給出堆棧地址，而且在讀寫操作的前后伴隨有自動(dòng)修改SP 內(nèi)容的動(dòng)作，確保使 SP 總是指向堆棧的棧頂。例如，按字尋址時(shí)：入棧操作: SP -1 SP 和AR，即SP 的內(nèi)容減 1 存回SP,并送入內(nèi)存地址寄存器，接下來才可以把數(shù)據(jù)寫到堆棧中，這是因?yàn)樾枰褦?shù)據(jù)寫到新開辟出來的棧頂單元中。出棧操作: SP AR，完成一次讀堆棧操作后，還要執(zhí)行一次SP +1 SP 的操作，用于修改SP 內(nèi)容，這是因?yàn)閿?shù)據(jù)讀出后原來它的下一個(gè)相鄰單元變成為棧頂。35堆棧尋址舉例主存主存ACCACC棧頂1FFH200H棧頂200HSPSPPUSHA 后PUSHA 前棧底棧底主存主存ACCACC棧頂1FFH棧頂200HSPSP200HPOP A 前POP A 后棧底棧底