計(jì)算機(jī)組成原理JLP_3.2

1、第3章 CPU子系統(tǒng)SCS-SWPU第3章 CPU子系統(tǒng)概概 述述3.1指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)3.2運(yùn)算部件運(yùn)算部件3.3組合邏輯控制方式組合邏輯控制方式3.4微程序控制方式微程序控制方式3.53.6CPU的基本模型重點(diǎn)難點(diǎn)3.43.7CPU性能的提升技術(shù)計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理 2009 SCS-SWPU3計(jì)算機(jī)處理的對(duì)象計(jì)算機(jī)處理的對(duì)象計(jì)算機(jī)中的計(jì)算機(jī)中的信息信息控制信息控制信息數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)數(shù)值型數(shù)據(jù)數(shù)值型數(shù)據(jù)非數(shù)值型數(shù)據(jù)非數(shù)值型數(shù)據(jù)指令信息指令信息 計(jì)算機(jī)中的信息表示計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理 2009 SCS-SWPU4 指令：讓計(jì)算機(jī)完成某種操作的命令指令：讓計(jì)算機(jī)完成某種操作的命令 指

2、令系統(tǒng)：一臺(tái)計(jì)算機(jī)所能執(zhí)行的全部指令指令系統(tǒng)：一臺(tái)計(jì)算機(jī)所能執(zhí)行的全部指令 不同系列的計(jì)算機(jī)有不同的指令系統(tǒng)；不同系列的計(jì)算機(jī)有不同的指令系統(tǒng)； 指令越豐富功能越強(qiáng)，計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)越復(fù)雜指令越豐富功能越強(qiáng)，計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)越復(fù)雜 ； 是用戶編制程序的依據(jù)，設(shè)計(jì)一臺(tái)計(jì)算機(jī)的基本出發(fā)點(diǎn)。是用戶編制程序的依據(jù)，設(shè)計(jì)一臺(tái)計(jì)算機(jī)的基本出發(fā)點(diǎn)。 3.2 指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理 2009 SCS-SWPU51指令的格式2指令的尋址方式3指令的功能和類型3.2 指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理 2009 SCS-SWPU63.2.1 指令格式1、指令中的基本信息 機(jī)器指令的基本格式 操作碼：告訴計(jì)算機(jī)

3、做什么或執(zhí)行什么操作操作碼：告訴計(jì)算機(jī)做什么或執(zhí)行什么操作 （1 1）操作數(shù)或操作數(shù)地址）操作數(shù)或操作數(shù)地址 地址碼地址碼 （2 2）存放運(yùn)算結(jié)果的地址）存放運(yùn)算結(jié)果的地址 （3 3）后繼指令地址（常以隱含方式給出）后繼指令地址（常以隱含方式給出）顯地址顯地址 和和隱地址隱地址地址碼結(jié)構(gòu)地址碼結(jié)構(gòu)操作碼結(jié)構(gòu)操作碼結(jié)構(gòu)提高計(jì)算機(jī)提高計(jì)算機(jī)性能為目的性能為目的計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理 2009 SCS-SWPU7(0) 四地址指令其中其中: Ai表示地址表示地址,可以是寄存器號(hào)，也可以是可以是寄存器號(hào)，也可以是 主存單元的地址碼；主存單元的地址碼； (Ai)表示存放于該地址的內(nèi)容表示存放于該地

4、址的內(nèi)容; A4明確表示下條將要執(zhí)行指令的地址明確表示下條將要執(zhí)行指令的地址; A4常隱含給出，四地址指令很少采用常隱含給出，四地址指令很少采用. .（A4）PC2.3.1 指令格式2、指令中的地址結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理 2009 SCS-SWPU8(1) 三地址指令 特點(diǎn): 若若A1A1、A2A2、A3A3為內(nèi)存地址為內(nèi)存地址 則執(zhí)行該指令需要訪問(wèn)則執(zhí)行該指令需要訪問(wèn)次次主存。主存。 根據(jù)根據(jù)PCPC的內(nèi)容，取指令；的內(nèi)容，取指令； 根據(jù)指令中的根據(jù)指令中的A1A1取操作數(shù)；取操作數(shù)； 根據(jù)指令中的根據(jù)指令中的A2A2取操作數(shù)；取操作數(shù)； ALUALU運(yùn)算結(jié)果，然后將結(jié)果保存到運(yùn)算

5、結(jié)果，然后將結(jié)果保存到A3A3。2.3.1 指令格式2、指令中的地址結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理 2009 SCS-SWPU9(2) 二地址指令 其中其中: : A1A1為目的為目的操作數(shù)地址操作數(shù)地址，A2A2為為源操作數(shù)地址源操作數(shù)地址。 二地址指令執(zhí)行之后，二地址指令執(zhí)行之后，A1A1原存的內(nèi)容被破壞了原存的內(nèi)容被破壞了。2.3.1 指令格式2、指令中的地址結(jié)構(gòu) OP A1 A2指令的功能：（指令的功能：（A1A1）OP(A2) = A1OP(A2) = A1 (PC)+n = PC (PC)+n = PC計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理 2009 SCS-SWPU10(3) 一地址指令

6、2.3.1 指令格式2、指令中的地址結(jié)構(gòu) OP A雙操作數(shù)指令雙操作數(shù)指令指令的功能：（指令的功能：（ACCACC）OP(A) = ACCOP(A) = ACC (PC)+n = PC (PC)+n = PC其中其中: Acc: Acc是累加寄存器是累加寄存器( ( 隱地址隱地址 ) )單操作數(shù)指令單操作數(shù)指令指令的功能：指令的功能：OP(A) = AOP(A) = A (PC)+n = PC (PC)+n = PC計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理 2009 SCS-SWPU11(4） 零地址指令1 1、顯地址數(shù)多，指令長(zhǎng)，所需、顯地址數(shù)多，指令長(zhǎng)，所需 存儲(chǔ)空間大，讀取時(shí)間長(zhǎng)存儲(chǔ)空間大，讀取時(shí)間

7、長(zhǎng)2 2、顯地址數(shù)少，地址選擇受限制、顯地址數(shù)少，地址選擇受限制2.3.1 指令格式2、指令中的地址結(jié)構(gòu) OP單操作數(shù)的指令單操作數(shù)的指令指令的功能：指令的功能： OP(ACC) = ACCOP(ACC) = ACC不需要操作數(shù)的指令不需要操作數(shù)的指令如：如：HLTHLT、NOPNOP堆棧中的操作數(shù)（堆棧中的操作數(shù)（“先進(jìn)后出先進(jìn)后出” ” 存儲(chǔ)區(qū)）存儲(chǔ)區(qū)）操作操作: PUSH : PUSH 、POPPOPSPSP（堆棧指針）（堆棧指針）: : 給出棧頂單元地址給出棧頂單元地址 計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理 2009 SCS-SWPU12指令的操作碼結(jié)構(gòu)操作碼的位數(shù)決定指令種類的多少操作碼的位

8、數(shù)決定指令種類的多少操作碼的編碼操作碼的編碼固定長(zhǎng)度操作碼固定長(zhǎng)度操作碼可變長(zhǎng)度操作碼可變長(zhǎng)度操作碼3.2.1 指令格式3、操作碼結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理 2009 SCS-SWPU13v(1) 固定長(zhǎng)度操作碼 操作碼操作碼位數(shù)和位置是位數(shù)和位置是固定固定的的 多用于多用于指令較長(zhǎng)指令較長(zhǎng)或或可變字長(zhǎng)指令格式可變字長(zhǎng)指令格式 設(shè)字長(zhǎng)為設(shè)字長(zhǎng)為3232位的計(jì)算機(jī)，用第一個(gè)字節(jié)表示操作碼位的計(jì)算機(jī)，用第一個(gè)字節(jié)表示操作碼 該格式，能提供多少條指令？該格式，能提供多少條指令？ 操作碼操作碼 地址碼地址碼一個(gè)字節(jié)一個(gè)字節(jié)3 3個(gè)字節(jié)個(gè)字節(jié) 特點(diǎn)特點(diǎn): : 讀取和識(shí)別指令簡(jiǎn)單，譯碼簡(jiǎn)單、迅速。讀

9、取和識(shí)別指令簡(jiǎn)單，譯碼簡(jiǎn)單、迅速。3.2.1 指令格式3、操作碼結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理 2009 SCS-SWPU14v(2) 可變長(zhǎng)度操作碼 又稱為擴(kuò)展操作碼又稱為擴(kuò)展操作碼 操作碼擴(kuò)展技術(shù)：操作碼擴(kuò)展到地址碼操作碼擴(kuò)展技術(shù)：操作碼擴(kuò)展到地址碼地址部分位數(shù)較多時(shí)，讓操作碼的尾數(shù)少些地址部分位數(shù)較多時(shí)，讓操作碼的尾數(shù)少些地址部分位數(shù)較少時(shí)，讓操作碼的位數(shù)增加，以增加指令種類地址部分位數(shù)較少時(shí)，讓操作碼的位數(shù)增加，以增加指令種類特點(diǎn)：特點(diǎn)：操作碼字段的位數(shù)和位置不固定將增加操作碼字段的位數(shù)和位置不固定將增加指令譯碼指令譯碼和和分析的難度分析的難度，使控制器的設(shè)計(jì)復(fù)雜化，使控制器的設(shè)計(jì)復(fù)

10、雜化。N N位位 32-N32-N位位 操作碼操作碼 地址碼地址碼3.2.1 指令格式3、操作碼結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理 2009 SCS-SWPU15 00000000 XXXX XXXX XXXX 15 XXXX XXXX XXXX 15條三地址指令（位操作碼） 11101110 XXXX XXXX XXXX XXXX XXXX XXXX 11111111 00000000 XXXX XXXX 15 XXXX XXXX 15條二個(gè)地址指令（8 8位操作碼） 11111111 11101110 XXXX XXXX XXXX XXXX 11111111 1111 1111 000000

11、00 XXXX 15 XXXX 15條一地址指令（1212位操作碼） 1111 11111111 1111 11101110 XXXX XXXX 1111 1111 11111111 1111 1111 00000000 16 16條零地址指令（1616位操作碼） 1111 1111 11111111 1111 1111 11111111 思考題：另一種方案思考題：另一種方案1414條三地址指令，條三地址指令，3131條二地址指令，條二地址指令，1515條一地址指條一地址指令令,16,16條零地址指令條零地址指令例例3-1 3-1 設(shè)某指令系統(tǒng)的指令字長(zhǎng)為設(shè)某指令系統(tǒng)的指令字長(zhǎng)為1616位，最

12、多可給出三個(gè)地址段：位，最多可給出三個(gè)地址段： X X、Y Y、Z Z，每個(gè)地址字段占，每個(gè)地址字段占4 4位，位， 設(shè)計(jì)一種擴(kuò)展操作碼的方案：設(shè)計(jì)一種擴(kuò)展操作碼的方案：opXYZ3.2.1 指令格式3、操作碼結(jié)構(gòu)16例. 某機(jī)為定長(zhǎng)指令字結(jié)構(gòu)，指令長(zhǎng)度為16位，每個(gè)操作數(shù)的地址碼長(zhǎng)6 位，指令分無(wú)操作數(shù)、單操作數(shù)和雙操作數(shù)三類。若雙操作數(shù)指令有K條，無(wú)操作數(shù)指令有L條，為單操作數(shù)最多有多少條？ 解 (1)設(shè)單操作數(shù)指令有X條，分析：1)雙操作數(shù)指令有K條，其最大指令數(shù)24條；留有24-K個(gè)編碼可以擴(kuò)展到單操作數(shù)指令2)單操作數(shù)指令有X條，其最大指令數(shù)（24-K）26條；留有(24-K)26

13、X個(gè)編碼可以擴(kuò)展到無(wú)操作數(shù)指令3)無(wú)操作數(shù)指令有：(24-K)26 - X)26 則 (24-K)26 - X)26 = L 即，X (24-K)26 - (L / 26 ) 單操作數(shù)指令最多: (24-K)26 - (L / 26 )條。 4 6 63.2.1 指令格式3、操作碼結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理 2009 SCS-SWPU174、 指令字長(zhǎng)v（1 1）定字長(zhǎng)指令格式： 如NOVANOVA機(jī)，所有指令均1616位字長(zhǎng) 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便 適用于精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)（RISC)RISC)v（2 2）可變字長(zhǎng)指令格式 通常以字節(jié)為單位，有1 1字節(jié)、2 2字節(jié)、3 3字節(jié)等長(zhǎng)度的指令

14、； 讀取操作碼后判斷是多少字節(jié)長(zhǎng)度的指令 適用于復(fù)雜指令系統(tǒng)（CISCCISC） 特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)靈活，控制復(fù)雜 如如 80868086微處理機(jī)采用的是微處理機(jī)采用的是1-61-6字節(jié)的可變字長(zhǎng)指令形式字節(jié)的可變字長(zhǎng)指令形式 3.2.1 指令格式4、指令字長(zhǎng)計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理 2009 SCS-SWPU183.2.1 指令格式舉例源地址OP4 6 6 16 16目的地址存儲(chǔ)器地址1存儲(chǔ)器地址2OP10 6 16目的地址存儲(chǔ)器地址目的地址4 6 6源地址OP 10 6目的地址OP CODE16OP CODE例如：PDP 11指令字長(zhǎng)有 16 位、32 位、48 位三種零地址 (16 位)一地

15、址 (16 位)二地址 R R (16 位)二地址 R M (32 位)二地址 M M (48 位)擴(kuò)展操作碼技術(shù)計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理 2009 SCS-SWPU3.2.1 指令格式舉例例如： IBM 360 操作碼字段一律都是8位OPR1R2 RR格式8 4 4OPR1XBD RX格式8 4 4 4 12OPR1R3BD RS格式8 4 4 4 12OPBDI SI格式8 8 4 12OPB1D1LB2D2 SS格式8 8 4 12 4 12二地址 R R基址加變址尋址二地址 R M三地址 R M基址尋址二地址 M M 基址尋址基址尋址立即數(shù) M計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理 2009

16、 SCS-SWPU201指令的格式2指令的尋址方式3指令的功能和類型3.2 指令信息的表示尋址方式有關(guān)概念：尋址方式有關(guān)概念： 地址：數(shù)據(jù)和指令在存貯器（或寄存器）地址：數(shù)據(jù)和指令在存貯器（或寄存器） 的存放位置的存放位置 指令地址：存放指令的地址指令地址：存放指令的地址 數(shù)據(jù)地址：存放數(shù)據(jù)的地址數(shù)據(jù)地址：存放數(shù)據(jù)的地址指令地址的形成（指令的尋址方式）指令地址的形成（指令的尋址方式） 順序：順序：( ( PC )+1 PC )+1 PC PC 程序執(zhí)行程序執(zhí)行 轉(zhuǎn)移：轉(zhuǎn)移地址轉(zhuǎn)移：轉(zhuǎn)移地址 PCPC 3.2.2 常見(jiàn)尋址方式2122 數(shù)據(jù)地址的形成（數(shù)據(jù)的尋址方式）數(shù)據(jù)地址的形成（數(shù)據(jù)的尋址方

17、式） 數(shù)據(jù)和程序一樣，在存貯器中也是按一數(shù)據(jù)和程序一樣，在存貯器中也是按一定的順序存放的，但是在程序的執(zhí)行過(guò)程中定的順序存放的，但是在程序的執(zhí)行過(guò)程中，有的存貯單元的數(shù)據(jù)可能多次使用，沒(méi)有，有的存貯單元的數(shù)據(jù)可能多次使用，沒(méi)有什么規(guī)律可循，不能象指令地址的形成，在什么規(guī)律可循，不能象指令地址的形成，在CPUCPU中設(shè)置一個(gè)程序計(jì)數(shù)器，這就提出操作中設(shè)置一個(gè)程序計(jì)數(shù)器，這就提出操作數(shù)地址如何形成？即通常稱的尋址方式數(shù)地址如何形成？即通常稱的尋址方式。 3.2.2 常見(jiàn)尋址方式23 操作數(shù)的存放位置操作數(shù)的存放位置 ： （1 1）操作數(shù)在指令中）操作數(shù)在指令中( (指令指令) )（2 2）操作數(shù)在

18、）操作數(shù)在CPUCPU的某個(gè)寄存器中（寄存器號(hào)）的某個(gè)寄存器中（寄存器號(hào)）（3 3）操作數(shù)在主存儲(chǔ)器中（單元地址碼）操作數(shù)在主存儲(chǔ)器中（單元地址碼）（4 4）操作數(shù)在堆棧區(qū)中（堆棧指針）操作數(shù)在堆棧區(qū)中（堆棧指針SPSP）（5 5）操作數(shù)在）操作數(shù)在I/OI/O接口的寄存器中（端口地址）接口的寄存器中（端口地址） 根據(jù)操作數(shù)的存放位置的不同，指令中如何根據(jù)操作數(shù)的存放位置的不同，指令中如何提供操作數(shù)相應(yīng)的尋址信息？提供操作數(shù)相應(yīng)的尋址信息？3.2.2 常見(jiàn)尋址方式24 尋址方式：指令中如何提供操作數(shù)或操作數(shù)尋址方式：指令中如何提供操作數(shù)或操作數(shù)地址（或指令中操作數(shù)或操作數(shù)地址的表達(dá)地址（或指令

19、中操作數(shù)或操作數(shù)地址的表達(dá)方式）方式） 形式地址：形式地址： 指令中給出的地址指令中給出的地址 有效地址（有效地址（EAEA）：）：將形式地址進(jìn)行一定將形式地址進(jìn)行一定 的運(yùn)算而得到的地址的運(yùn)算而得到的地址 物理地址：直接訪問(wèn)存貯單元的地址物理地址：直接訪問(wèn)存貯單元的地址 尋址過(guò)程：形成操作數(shù)地址的過(guò)程尋址過(guò)程：形成操作數(shù)地址的過(guò)程3.2.2 常見(jiàn)尋址方式操作碼操作碼OPOP地址碼地址碼A A指令格式指令格式：25 一個(gè)指令系統(tǒng)采用什么尋址方式，將會(huì)直接一個(gè)指令系統(tǒng)采用什么尋址方式，將會(huì)直接影響到指令的長(zhǎng)度和尋址空間，影響指令系統(tǒng)功影響到指令的長(zhǎng)度和尋址空間，影響指令系統(tǒng)功能的強(qiáng)弱，以及編制程

20、序時(shí)方便靈活的程度。所能的強(qiáng)弱，以及編制程序時(shí)方便靈活的程度。所有，這是指令系統(tǒng)的關(guān)鍵問(wèn)題之一。有，這是指令系統(tǒng)的關(guān)鍵問(wèn)題之一。 每種機(jī)器都有自己的一套尋址方式，不同的每種機(jī)器都有自己的一套尋址方式，不同的計(jì)算機(jī)尋址方式的分類和名稱都不統(tǒng)一，常用的計(jì)算機(jī)尋址方式的分類和名稱都不統(tǒng)一，常用的尋址方式有以下幾種：尋址方式有以下幾種： （1 1）立即尋址）立即尋址 （2 2）直接尋址）直接尋址 （3 3）間接尋址）間接尋址 （4 4）變址尋址）變址尋址 3.2.2 常見(jiàn)尋址方式26形式地址A： 指令字中的地址 有效地址EA ： 操作數(shù)的真實(shí)地址 指令系統(tǒng)可以采用多種尋址方式，指令中如何區(qū)別它們，有兩

21、種方法：一種方法是由操作碼決定其尋址方式，另一種方法是指令中設(shè)置尋址方式字段。1. 立即尋址 指令執(zhí)行階段不訪存 A 的位數(shù)限制了立即數(shù)的范圍形式地址 A操作碼OP尋址特征OP # A立即尋址特征立即數(shù) 可正可負(fù) 補(bǔ)碼形式地址 A 就是操作數(shù)3.2.2 常見(jiàn)尋址方式272. 直接尋址EA = A操作數(shù)主存尋址特征OPAA 執(zhí)行階段訪問(wèn)一次存儲(chǔ)器 A 的位數(shù)決定了該指令操作數(shù)的尋址范圍 操作數(shù)的地址不易修改（必須修改A）有效地址由形式地址直接給出3.2.2 常見(jiàn)尋址方式283. 寄存器直接尋址EA = Ri 執(zhí)行階段不訪存，只訪問(wèn)寄存器，執(zhí)行速度快OPRi尋址特征 寄存器個(gè)數(shù)有限，可縮短指令字長(zhǎng)

22、操作數(shù)R0RiRn寄存器有效地址即為寄存器編號(hào)3.2.2 常見(jiàn)尋址方式294. 主存間接尋址EA =（A） EA由形式地址間接提供OPA尋址特征AEA主存EAA1EA A1主存 EA10 執(zhí)行指令階段 2 次訪存 可擴(kuò)大尋址范圍 便于編制程序OPA尋址特征A一次間址多次間址操作數(shù)操作數(shù)多次訪存3.2.2 常見(jiàn)尋址方式30EA = ( Ri )5. 寄存器間接尋址 有效地址在寄存器中， 操作數(shù)在存儲(chǔ)器中，執(zhí)行階段訪存操作數(shù)主存OPRi尋址特征 便于編制循環(huán)程序地址EAR0RiRn寄存器有效地址在寄存器中i i 3.2.2 常見(jiàn)尋址方式316.變址尋址(1) 采用專用寄存器作變址寄存器EA = (

23、 RX ) + DRX為變址寄存器OPD操作數(shù)主存尋址特征ALURX 可擴(kuò)大尋址范圍 RX 的內(nèi)容由用戶給定 在程序的執(zhí)行過(guò)程中 RX 內(nèi)容可變，形式地址 D 不變 便于處理數(shù)組問(wèn)題2.3.2 常見(jiàn)尋址方式32(2) 采用通用寄存器作變址寄存器操作數(shù)主存ALUOPR0DEA=（ R0 ）+DR0 作變址寄存器 由用戶指定哪個(gè)通用寄存器作為變址寄存器通用寄存器R0Rn-1R1 變址寄存器的內(nèi)容由用戶確定 在程序的執(zhí)行過(guò)程中 R0 內(nèi)容可變，形式地址 D不變2.3.2 常見(jiàn)尋址方式337. 基址尋址(1) 采用專用寄存器作基址寄存器EA = (RB ) + DRB 為基址寄存器OPD操作數(shù)主存尋址

24、特征ALURB 可擴(kuò)大尋址范圍 便于程序搬家 RB 內(nèi)容由操作系統(tǒng)或管理程序確定 在程序的執(zhí)行過(guò)程中 RB 內(nèi)容不變，形式地址 D 可變2.3.2 常見(jiàn)尋址方式34(2) 采用通用寄存器作基址寄存器操作數(shù)主存ALUOPR0DEA=（ R0 ）+DR0 作基址寄存器 由用戶指定哪個(gè)通用寄存器作為基址寄存器通用寄存器R0Rn-1R1 基址寄存器的內(nèi)容由操作系統(tǒng)確定 在程序的執(zhí)行過(guò)程中 R0 內(nèi)容不變，形式地址 D 可變2.3.2 常見(jiàn)尋址方式358. 基址加變址方式操作數(shù)主存ALUOPR0R1 dEA=(R0)+(R1)+dR0 作基址寄存器R1 作變址寄存器 由用戶指定哪個(gè)通用寄存器作為基址寄存

25、器和變址寄存器通用寄存器R0Rn-1R1 基址寄存器和變址寄存器的內(nèi)容由用戶確定 在程序的執(zhí)行過(guò)程中 R0 內(nèi)容不變， R1和d內(nèi)容可變ALU2.3.2 常見(jiàn)尋址方式369. 相對(duì)尋址 EA = ( PC ) + dd 是相對(duì)于當(dāng)前指令的位移量（可正可負(fù)，補(bǔ)碼） d 的位數(shù)決定操作數(shù)的尋址范圍 程序浮動(dòng) 廣泛用于轉(zhuǎn)移指令操作數(shù)尋址特征ALUOPd相對(duì)距離 d1000PC主存1000dOP2.3.2 常見(jiàn)尋址方式 與基址尋址的原理相同，基準(zhǔn)地址為PC的當(dāng)前的內(nèi)容3710. 頁(yè)面尋址 EA = ( PC ) H, dd 是EA的低位 用于存儲(chǔ)器分頁(yè)管理方式操作數(shù)尋址特征ALUOPd=FF1030P

26、C主存1030dOP100000FF10FF2.3.2 常見(jiàn)尋址方式3811. 堆棧尋址(1) 堆棧的特點(diǎn)堆棧硬件堆棧軟件堆棧堆棧指令堆棧子程序工作方式：先進(jìn)后出（一個(gè)入出口）棧頂?shù)刂罚?由堆棧指針（SP） 指示進(jìn)棧 (或?qū)懭? : （SP） 1 SP出棧 (或彈出) : （SP）+ 1 SP2.3.2 常見(jiàn)尋址方式堆棧用于程序調(diào)用（子程序的多重調(diào)用）和中斷處理 00FFHSP 棧頂棧底 FFFFH主存X00FFH0000H 堆棧為”自底向上”生長(zhǎng)方式39(2) 尋址舉例15200HACCSPX棧頂200H棧底主存151FFHACCSP15棧頂200H棧底主存X1FFHPUSH A 前PUSH

27、 A 后POP A 前POP A 后Y1FFHACCSPX棧頂200H棧底主存151FFH15200HACCSP棧頂200H棧底主存X152.3.2 常見(jiàn)尋址方式40(3) SP 的修改與主存編址方法有關(guān) 按 字 編址進(jìn)棧出棧（SP） 1 SP（SP）+ 1 SP 按 字節(jié) 編址存儲(chǔ)字長(zhǎng) 16 位進(jìn)棧出棧（SP） 2 SP（SP）+ 2 SP存儲(chǔ)字長(zhǎng) 32 位進(jìn)棧出棧（SP） 4 SP（SP）+ 4 SP4112. 隱含尋址操作數(shù)地址隱含在操作碼中ADDA操作數(shù)主存尋址特征AACC暫存ALU另一個(gè)操作數(shù)隱含在 ACC 中如 8086MUL 指令被乘數(shù)隱含在 AX（16位）或 AL（8位）中MO

28、VS 指令源操作數(shù)的地址隱含在 SI 中目的操作數(shù)的地址隱含在 DI 中 指令字中少了一個(gè)地址字段，可縮短指令字長(zhǎng)計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理 2009 SCS-SWPU421指令的格式2指令的尋址方式3指令的功能和類型3.2 指令信息的表示43RISC 技術(shù)技術(shù) CISC CISC（Complex Instruction Set ComputerComplex Instruction Set Computer） 復(fù)雜指令系統(tǒng)（或集）計(jì)算機(jī)復(fù)雜指令系統(tǒng)（或集）計(jì)算機(jī) RISC RISC（Reduced Instruction Set ComputerReduced Instruction Se

29、t Computer） 精減指令系統(tǒng)（或集）計(jì)算機(jī)精減指令系統(tǒng)（或集）計(jì)算機(jī)典型程序中典型程序中 80% 的指令僅僅使用處理機(jī)中的指令僅僅使用處理機(jī)中 20% 的指令。的指令。執(zhí)行頻度高的簡(jiǎn)單指令，因復(fù)雜指令的存在，執(zhí)執(zhí)行頻度高的簡(jiǎn)單指令，因復(fù)雜指令的存在，執(zhí)行速度無(wú)法提高。行速度無(wú)法提高。能否用能否用 20% 的簡(jiǎn)單指令組合不常用的的簡(jiǎn)單指令組合不常用的80% 的指的指令功能？令功能？3.2.3 指令的功能和類型44CISC 的主要特征 指令系統(tǒng)復(fù)雜，指令數(shù)目一般為200-300條。 指令長(zhǎng)度不固定，指令格式多，尋址方式多。 可以訪存指令不受限制。 各種指令使用頻度相差大。 各種指令執(zhí)行時(shí)間

30、相差大，需多個(gè)時(shí)鐘周期完成。 多數(shù)采用微程序控制器。 難以用優(yōu)化編譯生成高效的目標(biāo)代碼程序。 3.1.3 CPU的指令類型45RISC 的主要特征 選用使用頻率較高的一些簡(jiǎn)單指令 復(fù)雜指令的功能由簡(jiǎn)單指令來(lái)組合。 指令長(zhǎng)度固定。 只有 LOAD / STORE 指令訪存。 多個(gè)通用寄存器。 組合邏輯實(shí)現(xiàn)控制器。 流水技術(shù)，一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成一條指令。 采用優(yōu)化的編譯程序。 3.1.3 CPU的指令類型計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理 2009 SCS-SWPU46指令的分類不同的機(jī)型，對(duì)指令的分類不同，有三種方法：不同的機(jī)型，對(duì)指令的分類不同，有三種方法：（1 1）按指令格式分類）按指令格式分類

31、單操作數(shù)、雙操作數(shù)、程序轉(zhuǎn)移等單操作數(shù)、雙操作數(shù)、程序轉(zhuǎn)移等（2 2）按操作數(shù)尋址方式分類）按操作數(shù)尋址方式分類 RRRR型、型、 RXRX型、型、 RSRS型（或型（或RMRM型）、型）、 SI SI型（或型（或MIMI型）、型）、 SSSS型（或型（或MMMM型）等型）等（3 3）按指令功能分類）按指令功能分類 傳送指令、傳送指令、I/OI/O指令、算術(shù)運(yùn)算指令、邏輯運(yùn)算指令、算術(shù)運(yùn)算指令、邏輯運(yùn)算指令、程序控制指令、處理機(jī)控制指令等指令、程序控制指令、處理機(jī)控制指令等3.2.3 指令的功能和類型471. 傳送類指令源地址 目的地址數(shù)(1) 規(guī)定傳送范圍例. DJS-100系列： 80X8

32、6： IBM370：R MR M，R RR M，R R，M M設(shè)置時(shí)需考慮：3.2.3 指令的功能和類型48(2) 指明傳送單位例. VAX-11(用操作碼說(shuō)明)：80X86(用地址量說(shuō)明)：MOVB 8MOV AX，BX (16)MOVW 16MOVL 32MOV AL，BL (8)MOV EAX，EBX (32)(3) 設(shè)置尋址方式 在尋址方式的設(shè)置上幾乎不受限制，能比較集中地反映指令系統(tǒng)各種尋址方式的實(shí)現(xiàn)。3.2.3 指令的功能和類型492. 訪存指令（1）讀存儲(chǔ)器：LOAD（2）寫存儲(chǔ)器：STROE（3）彈出：POP（4）壓入：PUSH3.2.3 指令的功能和類型50（1 1）主機(jī)對(duì)外

33、設(shè)的尋址方式）主機(jī)對(duì)外設(shè)的尋址方式( (I/OI/O設(shè)備的編址方法設(shè)備的編址方法) )尋找I/O接口中的寄存器的方式。I/O端口尋找I/O接口中的寄存器的方式。如何為I/O端口分配地址？3.2.3 指令的功能和類型控制總線CB地址總線ABI/O接口電路數(shù)據(jù)控制狀態(tài)數(shù)據(jù)總線DBCPU外設(shè)控制寄存器狀態(tài)寄存器數(shù)據(jù)寄存器3.輸入/輸出指令511）單獨(dú)編址I/O地址空間不占主存空間，可與主存空間重疊。編址到設(shè)備：每個(gè)設(shè)備有各自的設(shè)備編碼；I/O指令中給出設(shè)備碼，并指明訪問(wèn)的哪個(gè)寄存器。=1 訪問(wèn)存儲(chǔ)器=0 訪問(wèn)I/O端口需設(shè)置標(biāo)志區(qū)分訪問(wèn)對(duì)象，如編址到寄存器：為每個(gè)寄存器(I/O端口)分配獨(dú)立的端口地

34、址；I/O指令中給出端口地址。M/IO2）統(tǒng)一編址3.2.3 指令的功能和類型522）統(tǒng)一編址I/O端口占據(jù)部分主存空間。常將存儲(chǔ)空間的低端分配給主存單元，高端分配給I/O端口，以示區(qū)分。編址到寄存器 1）設(shè)置專用I/O指令 針對(duì)單獨(dú)編址，用I/O指令訪問(wèn)I/O端口。 指令中說(shuō)明I/O操作，并給出設(shè)備碼或端口地址。 ：為每個(gè)寄存器(I/O端口)分配總線地址；訪問(wèn)外設(shè)時(shí)，指令中給出總線地址。（2 2） I/OI/O指令設(shè)置方式指令設(shè)置方式顯式I/O指令3.2.3 指令的功能和類型53例. 80X86I/O指令設(shè)置 輸入：IN AL，n；端口地址(n) AL(直接端口尋址) IN AL，DX；間接

35、端口地址(DX) AL(間接端口尋址) 輸出：OUT n，AL；(AL) n(直接端口尋址) OUT DX，AL；(AL) (DX)(間接端口尋址)3.2.3 指令的功能和類型54 2）用傳送指令實(shí)現(xiàn)I/O操作 針對(duì)統(tǒng)一編址，用傳送指令訪問(wèn)I/O端口。不設(shè)專用I/O指令。隱式I/O指令 3）通過(guò)I/O處理機(jī)進(jìn)行I/O操作兩級(jí)I/O指令CPU執(zhí)行簡(jiǎn)單I/O指令 (啟動(dòng)、停止、查詢、清除)I/O處理機(jī)執(zhí)行I/O操作指令 (輸入、輸出)3.2.3 指令的功能和類型55設(shè)置時(shí)需考慮操作數(shù)類型、符號(hào)、進(jìn)制等；運(yùn)算結(jié)束后設(shè)置相應(yīng)狀態(tài)標(biāo)志。(1) 算術(shù)運(yùn)算指令4.算術(shù)邏輯運(yùn)算指令(2) 邏輯運(yùn)算指令實(shí)現(xiàn)對(duì)代

36、碼位的設(shè)置、測(cè)試、清除、修改等。與或異或3.2.3 指令的功能和類型(3) 移位指令56控制程序流程。(1) 轉(zhuǎn)移指令5.程序控制指令(2) 轉(zhuǎn)子指令與返回指令轉(zhuǎn)子：操作碼 子程序入口無(wú)條件轉(zhuǎn)移條件轉(zhuǎn)移循環(huán)：操作碼 轉(zhuǎn)移地址：操作碼 轉(zhuǎn)移地址 轉(zhuǎn)移條件：轉(zhuǎn)移條件為循環(huán)計(jì)數(shù)值返回：操作碼 返回地址3.2.3 指令的功能和類型57(3)軟中斷指令程序自陷指令表示不同的功能調(diào)用調(diào)試程序早期主要用于程序的調(diào)試?，F(xiàn)在常常用于系統(tǒng)功能調(diào)用。以 INT n 的形式出現(xiàn)在程序中。(4)控制處理機(jī)某些功能的指令(5)面向操作系統(tǒng)的一些指令3.2.3 指令的功能和類型581、指令格式如下所示，其中OP為操作碼，試

37、分析指令格式特點(diǎn)。4）這種指令結(jié)構(gòu)常用于算術(shù)/邏輯類運(yùn)算指令，執(zhí)行速度快。1）單字長(zhǎng)（16位）二地址指令。2）操作碼字段 OP可以指定26=64種基本操作。3）源寄存器和目標(biāo)寄存器都是通用寄存器（各指定16個(gè)）， 所以是RR型指令，兩個(gè)操作數(shù)均在通用寄存器中。 指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析 源寄存器目標(biāo)寄存器15 10 7 4 3 0 OP問(wèn)題：操作數(shù)是否可以是RS型、SS型？指令格式特點(diǎn)：592、指令格式如下所示，其中OP為操作碼，試分析指令格式特點(diǎn)。1）雙字長(zhǎng)二地址指令，用于訪問(wèn)存儲(chǔ)器。2）操作碼字段OP為6位，可以指定64種操作。3）一個(gè)操作數(shù)在源寄存器（共16個(gè)），另一個(gè)操作數(shù)在存儲(chǔ)器中（由基

38、值寄存器和位移量決定），所以是RS型指令。指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析 源寄存器基址寄存器15 10 7 4 3 0 OP 位移量 （16位）指令格式特點(diǎn)：3、某計(jì)算機(jī)字長(zhǎng)為16位，主存地址空間大小為128 KB，按字編址。采用單字長(zhǎng)指令格式，指令各字段定義如下： 轉(zhuǎn)移指令采用相對(duì)尋址方式，相對(duì)偏移量用補(bǔ)碼表示。尋址方式定義如下：Ms / Md 尋址方式 助記符 含義 000B 寄存器直接 Rn 操作數(shù)=(Rn) 001B 寄存器間接 (Rn) 操作數(shù)=(Rn) 010B 寄存器間接、自增 (Rn)+ 操作數(shù)=(Rn), (Rn)+1Rn 011B 相對(duì) D(Rn) 轉(zhuǎn)移目標(biāo)地址=(PC)+(Rn)注

39、：（x）表示存儲(chǔ)器地址x或寄存器x的內(nèi)容。指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析 Md Rd15 12 11 源操作數(shù) 6 5 目的操作數(shù) 0 OP Ms Rs請(qǐng)回答下列問(wèn)題：（1）該指令系統(tǒng)最多可有多少條指令？該計(jì)算機(jī)最多有多少個(gè)通用寄存器？存儲(chǔ)器地址寄存器（MAR）和存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)寄存器（MDR）至少各需要多少位？（2）轉(zhuǎn)移指令的目標(biāo)地址范圍是多少？（3）若操作碼0010B表示加法操作（助記符為add），寄存器R4和R5的編號(hào)分別為100B和101B，R4的內(nèi)容為1234H，R5的內(nèi)容為5678H，地址1234H中的內(nèi)容為5678H，地址5678H中的內(nèi)容為1234H，則匯編語(yǔ)句“add (R4), (R5)+

40、”（逗號(hào)前為源操作數(shù)，逗號(hào)后為目的操作數(shù)）對(duì)應(yīng)的機(jī)器碼是什么（用十六進(jìn)制表示）？該指令執(zhí)行后，哪些寄存器和存儲(chǔ)單元的內(nèi)容會(huì)改變？改變后的內(nèi)容是什么？指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析答案 （1）指令系統(tǒng)最多支持16條指令；支持8個(gè)通用寄存器；MAR至少為16位；MDR至少為16位。（2）轉(zhuǎn)移指令的目標(biāo)地址范圍為0000HFFFFH。（3）匯編語(yǔ)句“add (R4), (R5)+”，對(duì)應(yīng)的機(jī)器碼為： 0010 001 100 010 101B=2315H。 add (R4), (R5)+；功能： (R4)+ (R5)=(R5)， (R5)+1=R5 ； (1234H)+ (5678H)=5678H+1234H

41、=68ACH=(R5) “add (R4), (R5)+”指令執(zhí)行后，R5和存儲(chǔ)單元5678H的內(nèi)容會(huì)改變。執(zhí)行后，R5的內(nèi)容為5679H。內(nèi)存5678H單元的內(nèi)容為68ACH。2.3.3 指令的功能和類型4、某計(jì)算機(jī)主存容量4Mx16位，且存儲(chǔ)字長(zhǎng)等于指令字長(zhǎng)，若指令系統(tǒng)能完成97種操作，操作碼位數(shù)固定，且有直接、間接、基址、變址、相對(duì)、立即等6種尋址方式。（1）設(shè)計(jì)一地址指令格式并指出各字段的作用；（2）指令直接尋址的最大范圍；（3）一次間址和多次間址的尋址范圍；（4）立即數(shù)的范圍；（5）相對(duì)尋址的位移量；（6）6種尋址方式的指令，哪一種執(zhí)行時(shí)間最短？哪一種最長(zhǎng)？哪一種便于用戶編制處理數(shù)組

42、問(wèn)題的程序？哪一種便于程序浮動(dòng)？（7）如何修改指令格式，使指令的直接尋址范圍擴(kuò)大到4M？指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析答案 （1）指令格式： （2）直接尋址的最大范圍：0 26-1 （3）一次間址的尋址范圍：0 216-1 多次間址的尋址范圍：0 215-1（4）立即數(shù)的范圍：-2525-1（5）相對(duì)尋址的位移量：-2525-1（6）6種尋址方式的指令，立即尋址執(zhí)行時(shí)間最短，間接尋址執(zhí)行時(shí)間最長(zhǎng)，變址尋址便于用戶編制處理數(shù)組問(wèn)題的程序，相對(duì)尋址便于程序浮動(dòng)。（7）直接尋址范圍擴(kuò)大到4M的指令格式：222=4M指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析15 9 8 6 5 0 OP M A15 9 8 6 5 0 OP M A

43、1 A2計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理 SWPU65一、單選題1.1.計(jì)算機(jī)中表示地址時(shí)使用（ ）。 A. A.無(wú)符號(hào)數(shù)無(wú)符號(hào)數(shù) B. B.原碼原碼 C.C.反碼反碼 D.D.補(bǔ)碼補(bǔ)碼2 2. . 以下四種類型指令中，執(zhí)行時(shí)間最長(zhǎng)的是( )( )。 A. RR A. RR型型 B. RSB. RS型型 C. SSC. SS型型 D. RXD. RX型型 3 3. . 設(shè)變址寄存器為X X，形式地址為D D，（）表示寄存器X X的內(nèi)容，尋址方式的有效地址為( )( )。 A.EA=(X)+D B.EA=(X)+(D) C.EA=(X)+D) D.EA=(X)+(D) A.EA=(X)+D B.EA

44、=(X)+(D) C.EA=(X)+D) D.EA=(X)+(D)4 4. .指令地址字段中，直接指出操作數(shù)本身的尋址，稱為( )( )。 A. A.隱含尋址隱含尋址 B.B.立即尋址立即尋址 C.C.寄存器尋址寄存器尋址 D.D.直接尋址直接尋址5.5.某指令系統(tǒng)的指令字長(zhǎng)為1616位，每個(gè)地址字段占6 6位，用擴(kuò)展操作碼技術(shù)。若指令系統(tǒng)具有二地址指令1515條、一地址指令4848條，則最多有（ ）條零地址指令。 A.64 B.256 C.1024 D.2048 A.64 B.256 C.1024 D.2048計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理 SWPU666.6.為了縮短指令中某地址段的位數(shù)，有

45、效的方法是采用（ ）。 A. A.立即尋址立即尋址 B. B.變址尋址變址尋址 C.C.間接尋址間接尋址 D.D.寄存器尋址寄存器尋址7.7.以下幾種尋址方式中，（ ）方式取操作數(shù)最快。 A. A.直接尋址直接尋址 B. B.變址尋址變址尋址 C.C.間接尋址間接尋址 D.D.寄存器直接尋址寄存器直接尋址8.8.先計(jì)算后再訪問(wèn)內(nèi)存的尋址方式是（ ）。 A. A.立即尋址立即尋址 B. B.直接尋址直接尋址 C.C.間接尋址間接尋址 D.D.變址尋址變址尋址9.9.以下幾種尋址方式中，（ ）方式對(duì)實(shí)現(xiàn)程序浮動(dòng)提供支持。 A. A.基址尋址基址尋址 B. B.變址尋址變址尋址 C.C.間接尋址間接

46、尋址 D.D.相對(duì)尋址相對(duì)尋址1 10 0. .指令系統(tǒng)中采用不同尋址方式的目的主要是( )( )。 A. A.實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)程序和程序控制實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)程序和程序控制 B. B.縮短指令長(zhǎng)度，擴(kuò)大尋址空間，提高編程靈活性縮短指令長(zhǎng)度，擴(kuò)大尋址空間，提高編程靈活性 C. C.可以直接訪問(wèn)外存可以直接訪問(wèn)外存 D. D.提供擴(kuò)展操作碼的可能并降低指令譯碼難度提供擴(kuò)展操作碼的可能并降低指令譯碼難度計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理 SWPU6711.11.能改變程序執(zhí)行順序的是（ ）指令。 A. A.數(shù)據(jù)傳送數(shù)據(jù)傳送 B. B.移位操作移位操作 C. C.輸入輸出輸入輸出 D. D.轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移12.12.在堆棧中，保

47、持不變的是（ ）。 A. A.棧頂 B. B.棧底 C.C.堆棧指針 D.D.棧中的數(shù)據(jù)13.13.數(shù)據(jù)傳送類指令不包括（ ）。 A.RR A.RR型型 B.RS B.RS型型 C.SSC.SS型型 D.SID.SI型型1 14 4. .目前的計(jì)算機(jī)，從原理上講( )( )。 A. A. 指令以二進(jìn)制形式存放，數(shù)據(jù)以十進(jìn)制形式存放指令以二進(jìn)制形式存放，數(shù)據(jù)以十進(jìn)制形式存放 B. B. 指令以十進(jìn)制形式存放，數(shù)據(jù)以二進(jìn)制形式存放指令以十進(jìn)制形式存放，數(shù)據(jù)以二進(jìn)制形式存放 C. C. 指令和數(shù)據(jù)都以二進(jìn)制形式存放指令和數(shù)據(jù)都以二進(jìn)制形式存放 D. D. 指令和數(shù)據(jù)都以十進(jìn)制形式存放指令和數(shù)據(jù)都以十

48、進(jìn)制形式存放15.15.設(shè)指令字長(zhǎng)為1616位，存儲(chǔ)器按字節(jié)編，CPU CPU 讀取一條單字長(zhǎng)指令后，PCPC值自動(dòng)加（ ）。 A.1 B.2 C.4 D.0 A.1 B.2 C.4 D.0計(jì)算機(jī)組成原理計(jì)算機(jī)組成原理 SWPU68一、單選題1.1.計(jì)算機(jī)中表示地址時(shí)使用（ A A ）。 A. A.無(wú)符號(hào)數(shù)無(wú)符號(hào)數(shù) B. B.原碼原碼 C.C.反碼反碼 D.D.補(bǔ)碼補(bǔ)碼2 2. . 以下四種類型指令中，執(zhí)行時(shí)間最長(zhǎng)的是( C )( C )。 A. RR A. RR型型 B. RSB. RS型型 C. SSC. SS型型 D. RXD. RX型型 3 3. . 設(shè)變址寄存器為X X，形式地址為D D，（）表示寄存器X X的內(nèi)容，尋址方式的有效地址為(A )(A )。 A.EA=(X)+D B.