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第3章CPU子系统 西南石油大学计算机科学学院主讲教师李建 联系电话 1390822559802883032835E mail lijian2835 SCS SWPU 第3章CPU子系统 概述 3 1 指令系统 3 2 运算部件 3 3 组合逻辑控制方式 3 4 微程序控制方式 3 5 3 6 CPU的基本模型 重点 难点 3 4 3 7 CPU性能的提升技术 计算机组成原理 2009SCS SWPU 3 计算机处理的对象 计算机中的信息 控制信息 数据 数值型数据非数值型数据 指令信息 计算机中的信息表示 计算机组成原理 2009SCS SWPU 4 指令 让计算机完成某种操作的命令指令系统 一台计算机所能执行的全部指令不同系列的计算机有不同的指令系统 指令越丰富功能越强 计算机结构越复杂 是用户编制程序的依据 设计一台计算机的基本出发点 3 2指令系统 计算机组成原理 2009SCS SWPU 5 3 2指令系统 计算机组成原理 2009SCS SWPU 6 3 2 1指令格式1 指令中的基本信息 机器指令的基本格式 操作码 告诉计算机做什么或执行什么操作 1 操作数或操作数地址地址码 2 存放运算结果的地址 3 后继指令地址 常以隐含方式给出 显地址和隐地址 地址码结构 操作码结构 提高计算机性能为目的 计算机组成原理 2009SCS SWPU 7 0 四地址指令 其中 Ai表示地址 可以是寄存器号 也可以是主存单元的地址码 Ai 表示存放于该地址的内容 A4明确表示下条将要执行指令的地址 A4常隐含给出 四地址指令很少采用 A4 PC 2 3 1指令格式 2 指令中的地址结构 计算机组成原理 2009SCS SWPU 8 1 三地址指令 特点 若A1 A2 A3为内存地址则执行该指令需要访问 次主存 根据PC的内容 取指令 根据指令中的A1取操作数 根据指令中的A2取操作数 ALU运算结果 然后将结果保存到A3 2 3 1指令格式 2 指令中的地址结构 计算机组成原理 2009SCS SWPU 9 2 二地址指令 其中 A1为目的操作数地址 A2为源操作数地址 二地址指令执行之后 A1原存的内容被破坏了 2 3 1指令格式 2 指令中的地址结构 OP A1 A2 指令的功能 A1 OP A2 A1 PC n PC 计算机组成原理 2009SCS SWPU 10 3 一地址指令 2 3 1指令格式 2 指令中的地址结构 OP A 双操作数指令指令的功能 ACC OP A ACC PC n PC其中 Acc是累加寄存器 隐地址 单操作数指令指令的功能 OP A A PC n PC 计算机组成原理 2009SCS SWPU 11 4 零地址指令 1 显地址数多 指令长 所需存储空间大 读取时间长2 显地址数少 地址选择受限制 2 3 1指令格式 2 指令中的地址结构 OP 单操作数的指令指令的功能 OP ACC ACC 不需要操作数的指令如 HLT NOP 堆栈中的操作数 先进后出 存储区 操作 PUSH POPSP 堆栈指针 给出栈顶单元地址 计算机组成原理 2009SCS SWPU 12 指令的操作码结构 操作码的位数决定指令种类的多少 操作码的编码 固定长度操作码 可变长度操作码 3 2 1指令格式 3 操作码结构 计算机组成原理 2009SCS SWPU 13 1 固定长度操作码操作码位数和位置是固定的多用于指令较长或可变字长指令格式设字长为32位的计算机 用第一个字节表示操作码 该格式 能提供多少条指令 一个字节 3个字节 特点 读取和识别指令简单 译码简单 迅速 3 2 1指令格式 3 操作码结构 计算机组成原理 2009SCS SWPU 14 2 可变长度操作码又称为扩展操作码操作码扩展技术 操作码扩展到地址码 地址部分位数较多时 让操作码的尾数少些地址部分位数较少时 让操作码的位数增加 以增加指令种类特点 操作码字段的位数和位置不固定将增加指令译码和分析的难度 使控制器的设计复杂化 N位 32 N位 3 2 1指令格式 3 操作码结构 计算机组成原理 2009SCS SWPU 15 0000XXXXXXXXXXXX15条三地址指令 位操作码 1110XXXXXXXXXXXX11110000XXXXXXXX15条二个地址指令 8位操作码 11111110XXXXXXXX111111110000XXXX15条一地址指令 12位操作码 111111111110XXXX111111111111000016条零地址指令 16位操作码 1111111111111111思考题 另一种方案14条三地址指令 31条二地址指令 15条一地址指令 16条零地址指令 例3 1设某指令系统的指令字长为16位 最多可给出三个地址段 X Y Z 每个地址字段占4位 设计一种扩展操作码的方案 3 2 1指令格式 3 操作码结构 16 例 某机为定长指令字结构 指令长度为16位 每个操作数的地址码长6位 指令分无操作数 单操作数和双操作数三类 若双操作数指令有K条 无操作数指令有L条 为单操作数最多有多少条 解 1 设单操作数指令有X条 分析 1 双操作数指令有K条 其最大指令数24条 留有24 K个编码可以扩展到单操作数指令2 单操作数指令有X条 其最大指令数 24 K 26条 留有 24 K 26 X个编码可以扩展到无操作数指令3 无操作数指令有 24 K 26 X 26则 24 K 26 X 26 L即 X 24 K 26 L 26 单操作数指令最多 24 K 26 L 26 条 3 2 1指令格式 3 操作码结构 计算机组成原理 2009SCS SWPU 17 4 指令字长 1 定字长指令格式 如NOVA机 所有指令均16位字长特点 结构简单 控制方便适用于精简指令系统 RISC 2 可变字长指令格式通常以字节为单位 有1字节 2字节 3字节等长度的指令 读取操作码后判断是多少字节长度的指令适用于复杂指令系统 CISC 特点 结构灵活 控制复杂如8086微处理机采用的是1 6字节的可变字长指令形式 3 2 1指令格式 4 指令字长 计算机组成原理 2009SCS SWPU 18 3 2 1指令格式 举例 例如 PDP 11指令字长有16位 32位 48位三种 零地址 16位 一地址 16位 扩展操作码技术 计算机组成原理 2009SCS SWPU 3 2 1指令格式 举例 例如 IBM360操作码字段一律都是8位 计算机组成原理 2009SCS SWPU 20 3 2指令信息的表示 寻址方式有关概念 地址 数据和指令在存贮器 或寄存器 的存放位置指令地址 存放指令的地址数据地址 存放数据的地址指令地址的形成 指令的寻址方式 顺序 PC 1 PC程序执行转移 转移地址 PC 3 2 2常见寻址方式 21 22 数据地址的形成 数据的寻址方式 数据和程序一样 在存贮器中也是按一定的顺序存放的 但是在程序的执行过程中 有的存贮单元的数据可能多次使用 没有什么规律可循 不能象指令地址的形成 在CPU中设置一个程序计数器 这就提出操作数地址如何形成 即通常称的寻址方式 3 2 2常见寻址方式 23 操作数的存放位置 1 操作数在指令中 指令 2 操作数在CPU的某个寄存器中 寄存器号 3 操作数在主存储器中 单元地址码 4 操作数在堆栈区中 堆栈指针SP 5 操作数在I O接口的寄存器中 端口地址 根据操作数的存放位置的不同 指令中如何提供操作数相应的寻址信息 3 2 2常见寻址方式 24 寻址方式 指令中如何提供操作数或操作数地址 或指令中操作数或操作数地址的表达方式 形式地址 指令中给出的地址有效地址 EA 将形式地址进行一定的运算而得到的地址物理地址 直接访问存贮单元的地址寻址过程 形成操作数地址的过程 3 2 2常见寻址方式 指令格式 25 一个指令系统采用什么寻址方式 将会直接影响到指令的长度和寻址空间 影响指令系统功能的强弱 以及编制程序时方便灵活的程度 所有 这是指令系统的关键问题之一 每种机器都有自己的一套寻址方式 不同的计算机寻址方式的分类和名称都不统一 常用的寻址方式有以下几种 1 立即寻址 2 直接寻址 3 间接寻址 4 变址寻址 3 2 2常见寻址方式 26 形式地址A 指令字中的地址 有效地址EA 操作数的真实地址 指令系统可以采用多种寻址方式 指令中如何区别它们 有两种方法 一种方法是由操作码决定其寻址方式 另一种方法是指令中设置寻址方式字段 1 立即寻址 指令执行阶段不访存 A的位数限制了立即数的范围 可正可负补码 形式地址A就是操作数 3 2 2常见寻址方式 27 2 直接寻址 EA A 寻址特征 A 执行阶段访问一次存储器 A的位数决定了该指令操作数的寻址范围 操作数的地址不易修改 必须修改A 有效地址由形式地址直接给出 3 2 2常见寻址方式 28 3 寄存器直接寻址 EA Ri 执行阶段不访存 只访问寄存器 执行速度快 寻址特征 寄存器个数有限 可缩短指令字长 有效地址即为寄存器编号 3 2 2常见寻址方式 29 4 主存间接寻址 EA A EA由形式地址间接提供 寻址特征 A EA A1 EA 执行指令阶段2次访存 可扩大寻址范围 便于编制程序 寻址特征 A 一次间址 多次间址 操作数 操作数 多次访存 3 2 2常见寻址方式 30 EA Ri 5 寄存器间接寻址 有效地址在寄存器中 操作数在存储器中 执行阶段访存 寻址特征 便于编制循环程序 有效地址在寄存器中 变型方式 Ri 1 或2 Ri 3 2 2常见寻址方式 31 6 变址寻址 1 采用专用寄存器作变址寄存器 EA RX D RX为变址寄存器 寻址特征 可扩大寻址范围 RX的内容由用户给定 在程序的执行过程中RX内容可变 形式地址D不变 便于处理数组问题 2 3 2常见寻址方式 32 2 采用通用寄存器作变址寄存器 EA R0 DR0作变址寄存器 由用户指定哪个通用寄存器作为变址寄存器 变址寄存器的内容由用户确定 在程序的执行过程中R0内容可变 形式地址D不变 2 3 2常见寻址方式 33 7 基址寻址 1 采用专用寄存器作基址寄存器 EA RB D RB为基址寄存器 寻址特征 可扩大寻址范围 便于程序搬家 RB内容由操作系统或管理程序确定 在程序的执行过程中RB内容不变 形式地址D可变 2 3 2常见寻址方式 34 2 采用通用寄存器作基址寄存器 EA R0 DR0作基址寄存器 由用户指定哪个通用寄存器作为基址寄存器 基址寄存器的内容由操作系统确定 在程序的执行过程中R0内容不变 形式地址D可变 2 3 2常见寻址方式 35 8 基址加变址方式 EA R0 R1 dR0作基址寄存器R1作变址寄存器 由用户指定哪个通用寄存器作为基址寄存器和变址寄存器 基址寄存器和变址寄存器的内容由用户确定 在程序的执行过程中R0内容不变 R1和d内容可变 2 3 2常见寻址方式 36 9 相对寻址 EA PC d d是相对于当前指令的位移量 可正可负 补码 d的位数决定操作数的寻址范围 程序浮动 广泛用于转移指令 操作数 寻址特征 相对距离d 2 3 2常见寻址方式 与基址寻址的原理相同 基准地址为PC的当前的内容 37 10 页面寻址 EA PC H d d是EA的低位 例如 主存为64K字 将其划分为256页 页面地址00 FFH 每页有256个单元 单元地址00 FFH 用于存储器分页管理方式 操作数 寻址特征 1000 00FF 10FF 2 3 2常见寻址方式 38 11 堆栈寻址 1 堆栈的特点 堆栈 堆栈指令 堆栈子程序 工作方式 先进后出 一个入出口 栈顶地址 由堆栈指针 SP 指示 2 3 2常见寻址方式 堆栈用于程序调用 子程序的多重调用 和中断处理 39 2 寻址举例 PUSHA前 PUSHA后 POPA前 POPA后 2 3 2常见寻址方式 40 3 SP的修改与主存编址方法有关 按字编址 进栈 出栈 按字节编址 存储字长16位 进栈 出栈 存储字长32位 进栈 出栈 41 12 隐含寻址 操作数地址隐含在操作码中 寻址特征 A ACC 暂存 另一个操作数隐含在ACC中 如8086 MUL指令 被乘数隐含在AX 16位 或AL 8位 中 MOVS指令 源操作数的地址隐含在SI中 目的操作数的地址隐含在DI中 指令字中少了一个地址字段 可缩短指令字长 计算机组成原理 2009SCS SWPU 42 3 2指令信息的表示 43 RISC技术CISC ComplexInstructionSetComputer 复杂指令系统 或集 计算机RISC ReducedInstructionSetComputer 精减指令系统 或集 计算机典型程序中80 的指令仅仅使用处理机中20 的指令 执行频度高的简单指令 因复杂指令的存在 执行速度无法提高 能否用20 的简单指令组合不常用的80 的指令功能 3 2 3指令的功能和类型 44 CISC的主要特征 指令系统复杂 指令数目一般为200 300条 指令长度不固定 指令格式多 寻址方式多 可以访存指令不受限制 各种指令使用频度相差大 各种指令执行时间相差大 需多个时钟周期完成 多数采用微程序控制器 难以用优化编译生成高效的目标代码程序 3 1 3CPU的指令类型 45 RISC的主要特征 选用使用频率较高的一些简单指令复杂指令的功能由简单指令来组合 指令长度固定 只有LOAD STORE指令访存 多个通用寄存器 组合逻辑实现控制器 流水技术 一个时钟周期内完成一条指令 采用优化的编译程序 3 1 3CPU的指令类型 计算机组成原理 2009SCS SWPU 46 指令的分类不同的机型 对指令的分类不同 有三种方法 1 按指令格式分类单操作数 双操作数 程序转移等 2 按操作数寻址方式分类RR型 RX型 RS型 或RM型 SI型 或MI型 SS型 或MM型 等 3 按指令功能分类传送指令 I O指令 算术运算指令 逻辑运算指令 程序控制指令 处理机控制指令等 3 2 3指令的功能和类型 47 1 传送类指令 源地址目的地址 数 1 传送指令2 访存指令3 I O指令 1 规定传送范围 例 DJS 100系列 80X86 IBM370 设置时需考虑 3 2 3指令的功能和类型 48 2 指明传送单位 例 VAX 11 用操作码说明 80X86 用地址量说明 MOVB8 MOVAX BX 16 MOVW16 MOVL32 MOVAL BL 8 MOVEAX EBX 32 3 设置寻址方式 在寻址方式的设置上几乎不受限制 能比较集中地反映指令系统各种寻址方式的实现 3 2 3指令的功能和类型 49 2 访存指令 1 读存储器 LOAD 2 写存储器 STROE 3 弹出 POP 4 压入 PUSH 3 2 3指令的功能和类型 50 1 主机对外设的寻址方式 I O设备的编址方法 寻找I O接口中的寄存器的方式 I O端口 寻找I O接口中的寄存器的方式 如何为I O端口分配地址 3 2 3指令的功能和类型 3 输入 输出指令 51 1 单独编址 I O地址空间不占主存空间 可与主存空间重叠 编址到设备 每个设备有各自的设备编码 I O指令中给出设备码 并指明访问的哪个寄存器 1访问存储器 0访问I O端口 需设置标志区分访问对象 如 编址到寄存器 为每个寄存器 I O端口 分配独立的端口地址 I O指令中给出端口地址 2 统一编址 3 2 3指令的功能和类型 52 2 统一编址 I O端口占据部分主存空间 常将存储空间的低端分配给主存单元 高端分配给I O端口 以示区分 编址到寄存器 1 设置专用I O指令针对单独编址 用I O指令访问I O端口 指令中说明I O操作 并给出设备码或端口地址 为每个寄存器 I O端口 分配总线地址 访问外设时 指令中给出总线地址 2 I O指令设置方式 显式I O指令 3 2 3指令的功能和类型 53 例 80X86I O指令设置 输入 INAL n 端口地址 直接端口寻址 INAL DX 间接端口地址 间接端口寻址 输出 OUTn AL 直接端口寻址 OUTDX AL 间接端口寻址 3 2 3指令的功能和类型 54 2 用传送指令实现I O操作针对统一编址 用传送指令访问I O端口 不设专用I O指令 隐式I O指令 3 通过I O处理机进行I O操作 两级I O指令 CPU执行简单I O指令 启动 停止 查询 清除 I O处理机执行I O操作指令 输入 输出 3 2 3指令的功能和类型 55 设置时需考虑操作数类型 符号 进制等 运算结束后设置相应状态标志 1 算术运算指令 4 算术逻辑运算指令 2 逻辑运算指令 实现对代码位的设置 测试 清除 修改等 与 或 异或 3 2 3指令的功能和类型 3 移位指令 56 控制程序流程 1 转移指令 5 程序控制指令 2 转子指令与返回指令 转子 操作码子程序入口 无条件转移条件转移循环 操作码转移地址 操作码转移地址转移条件 转移条件为循环计数值 返回 操作码返回地址 3 2 3指令的功能和类型 57 3 软中断指令 程序 自陷指令 表示不同的功能调用 调试程序 早期主要用于程序的调试 现在常常用于系统功能调用 以INTn的形式出现在程序中 4 控制处理机某些功能的指令 5 面向操作系统的一些指令 3 2 3指令的功能和类型 58 1 指令格式如下所示 其中OP为操作码 试分析指令格式特点 4 这种指令结构常用于算术 逻辑类运算指令 执行速度快 1 单字长 16位 二地址指令 2 操作码字段OP可以指定26 64种基本操作 3 源寄存器和目标寄存器都是通用寄存器 各指定16个 所以是RR型指令 两个操作数均在通用寄存器中 指令系统的设计与分析 源寄存器 目标寄存器 15107430 OP 问题 操作数是否可以是RS型 SS型 指令格式特点 59 2 指令格式如下所示 其中OP为操作码 试分析指令格式特点 1 双字长二地址指令 用于访问存储器 2 操作码字段OP为6位 可以指定64种操作 3 一个操作数在源寄存器 共16个 另一个操作数在存储器中 由基值寄存器和位移量决定 所以是RS型指令 指令系统的设计与分析 源寄存器 基址寄存器 15107430 OP 位移量 16位 指令格式特点 3 某计算机字长为16位 主存地址空间大小为128KB 按字编址 采用单字长指令格式 指令各字段定义如下 转移指令采用相对寻址方式 相对偏移量用补码表示 寻址方式定义如下 Ms Md寻址方式助记符含义000B寄存器直接Rn操作数 Rn 001B寄存器间接 Rn 操作数 Rn 010B寄存器间接 自增 Rn 操作数 Rn Rn 1 Rn011B相对D Rn 转移目标地址 PC Rn 注 x 表示存储器地址x或寄存器x的内容 指令系统的设计与分析 Md Rd 151211源操作数65目的操作数0 OP Ms Rs 请回答下列问题 1 该指令系统最多可有多少条指令 该计算机最多有多少个通用寄存器 存储器地址寄存器 MAR 和存储器数据寄存器 MDR 至少各需要多少位 2 转移指令的目标地址范围是多少 3 若操作码0010B表示加法操作 助记符为add 寄存器R4和R5的编号分别为100B和101B R4的内容为1234H R5的内容为5678H 地址1234H中的内容为5678H 地址5678H中的内容为1234H 则汇编语句 add R4 R5 逗号前为源操作数 逗号后为目的操作数 对应的机器码是什么 用十六进制表示 该指令执行后 哪些寄存器和存储单元的内容会改变 改变后的内容是什么 指令系统的设计与分析 答案 1 指令系统最多支持16条指令 支持8个通用寄存器 MAR至少为16位 MDR至少为16位 2 转移指令的目标地址范围为0000H FFFFH 3 汇编语句 add R4 R5 对应的机器码为 0010001100010101B 2315H add R4 R5 功能 R4 R5 R5 R5 1 R5 1234H 5678H 5678H 1234H 68ACH R5 add R4 R5 指令执行后 R5和存储单元5678H的内容会改变 执行后 R5的内容为5679H 内存5678H单元的内容为68ACH 2 3 3指令的功能和类型 4 某计算机主存容量4Mx16位 且存储字长等于指令字长 若指令系统能完成97种操作 操作码位数固定 且有直接 间接 基址 变址 相对 立即等6种寻址方式 1 设计一地址指令格式并指出各字段的作用 2 指令直接寻址的最大范围 3 一次间址和多次间址的寻址范围 4 立即数的范围 5 相对寻址的位移量 6 6种寻址方式的指令 哪一种执行时间最短 哪一种最长 哪一种便于用户编制处理数组问题的程序 哪一种便于程序浮动 7 如何修改指令格式 使指令的直接寻址范围扩大到4M 指令系统的设计与分析 答案 1 指令格式 2 直接寻址的最大范围 0 26 1 3 一次间址的寻址范围 0 216 1多次间址的寻址范围 0 215 1 4 立即数的范围 25 25 1 5 相对寻址的位移量 25 25 1 6 6种寻址方式的指令 立即寻址执行时间最短 间接寻址执行时间最长 变址寻址便于用户编制处理数组问题的程序 相对寻址便于程序浮动 7 直接寻址范围扩大到4M的指令格式 222 4M 指令系统的设计与分析 1598650 OP M A 1598650 OP M A1 A2 计算机组成原理 SWPU 65 一 单选题1 计算机中表示地址时使用 A 无符号数B 原码C 反码D 补码2 以下四种类型指令中 执行时间最长的是 A RR型B RS型C SS型D RX型3 设变址寄存器为X 形式地址为D 表示寄存器X的内容 寻址方式的有效地址为 A EA X DB EA X D C EA X D D EA X D 4 指令地址字段中 直接指出操作数本身的寻址 称为 A 隐含寻址B 立即寻址C 寄存器寻址D 直接寻址5 某指令系统的指令字长为16位 每个地址字段占6位 用扩展操作码技术 若指令系统具有二地址指令15条 一地址指令48条 则最多有 条零地址指令 A 64B 256C 1024D 2048 思考题或作业 计算机组成原理 SWPU 66 6 为了缩短指令中某地址段的位数 有效的方法是采用 A 立即寻址B 变址寻址C 间接寻址D 寄存器寻址7 以下几种寻址方式中 方式取操作数最快 A 直接寻址B 变址寻址C 间接寻址D 寄存器直接寻址8 先计算后再访问内存的寻址方式是 A 立即寻址B 直接寻址C 间接寻址D 变址寻址9 以下几种寻址方式中 方式对实现程序浮动提供支持 A 基址寻址B 变址寻址C 间接寻址D 相对寻址10 指令系统中采用不同寻址方式的目的主要是 A 实现存储程序和程序控制B 缩短指令长度 扩大寻址空间 提高编程灵活性C 可以直接访问外存D 提供扩展操作码的可能并降低指令译码难度 思考题或作业 计算机组成原理 SWPU 67 11 能改变程序执行顺序的是 指令 A 数据传送B 移位操作C 输入输出D 转移12 在堆栈中 保持不变的是 A 栈顶B 栈底C 堆栈指针D 栈中的数据13 数据传送类指令不包括 A RR型B RS型C SS型D SI型14 目前的计算机 从原理上讲 A 指令以二进制形式存放 数据以十进制形式存放B 指令以十进制形式存放 数据以