【正文】 寄存器尋址的指令字中,地址碼字段直接指出了寄存器的編號,即EA=Rl 由于地址字段只需指明寄存器編號(計(jì)算機(jī)中寄存器數(shù)有限)故指令字l 較短,節(jié)省了存儲(chǔ)空間,因此寄存器尋址在計(jì)算機(jī)中得到廣泛應(yīng)用l 執(zhí)行階段不訪存,只訪問寄存器,執(zhí)行速度快l 寄存器個(gè)數(shù)有限,可縮短指令字長有效地址EA+=(Ri),因有效地址l 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l 便于編制循環(huán)程序基址尋址需設(shè)有基址寄存器BR,其操作數(shù)的有效地址EA等于指令字中的形式地址與基址寄存器中的內(nèi)容(稱為基地址)相加,即EA=A+(BR)采用專用寄存器作基址寄存器l 可擴(kuò)大尋址范圍l 有利于多道程序l BR內(nèi)容由操作系統(tǒng)或管理程序確定l 在程序的執(zhí)行過程中 BR 內(nèi)容不變,形式地址 A 可變采用通用寄存器作基址寄存器l 由用戶指定哪個(gè)通用寄存器作為基址寄存器l 基址寄存器的內(nèi)容由操作系統(tǒng)確定l 在程序的執(zhí)行過程中 R0 內(nèi)容不變,形式地址 A 可變,即EA=A+(IX)l 可擴(kuò)大尋址范圍l IX 的內(nèi)容由用戶給定l 在程序的執(zhí)行過程中 IX 內(nèi)容可變,形式地址 A 不變l 便于處理數(shù)組問題～的有效地址是將PC的內(nèi)容(即當(dāng)前指令地址)與指令字中的形式地址A(A 是相對于當(dāng)前指令的位移量(可正可負(fù),補(bǔ)碼)相加而成,即EA=(PC)+Al A 的位數(shù)決定操作數(shù)的尋址范圍l 程序浮動(dòng)l 廣泛應(yīng)用于轉(zhuǎn)移指令(稱為硬堆棧)來實(shí)現(xiàn),也可利用主存的一部分空間作堆棧(稱為軟堆棧)l 硬堆棧 多個(gè)寄存器l 軟堆棧 制定的存儲(chǔ)空間 (三) CISC和RISC的基本概念1．CISC(復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī))隨著VLSI技術(shù)的發(fā)展,計(jì)算機(jī)的硬件成本不斷下降,軟件成本不斷提高,使得人們熱衷于在指令系統(tǒng)中增加更多的指令和復(fù)雜的指令,來提高操作系統(tǒng)的效率,并盡量縮短指令系統(tǒng)與高級語言的語義差別,以便于高級語言的編譯和降低軟件成本. 另外,為了做到程序兼容,同一系列計(jì)算機(jī)的新機(jī)器和高檔機(jī)的指令系統(tǒng)只能擴(kuò)充而不能減去任意一條,因此,促使指令系統(tǒng)越來越復(fù)雜,DEC公司的VAX 11/780計(jì)算機(jī)有303條指令,18種尋址方式,我們稱這些計(jì)算機(jī)為復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)(plex instruction set puter,簡稱CISC).Intel公司的180X86微處理器,IBM公司的大,中計(jì)算機(jī)均為CISC. 2．RISC(簡單指令集計(jì)算機(jī))(1)RISC的產(chǎn)生 1975年IBM公司開始研究指令的合理性問題,IBM的John cocke 提出了RISC的想法. 對CISC的測試表明:最長使用的是一些簡單指令,占指令總數(shù)的20%,但在程序中出現(xiàn)的頻率卻占80%. 而占20%的復(fù)雜指令,為實(shí)現(xiàn)其功能而設(shè)計(jì)的微程序代碼卻占總代碼的80%.CISC研制時(shí)間長,成本高,難于實(shí)現(xiàn)流水線。只有 LOAD / STORE 指令訪存4)CPU中的寄存器數(shù)量很多。目前一些大公司,IBM,DEC,Intel,Motorola以將部分力量轉(zhuǎn)移到RISC方面.(4)CISC機(jī)與RISC機(jī)的主要特征對比 而在另一些計(jì)算機(jī)中則用來存放即將要執(zhí)行的下一條指令地址。,可能是一個(gè)機(jī)器周期到幾個(gè)機(jī)器周期.因此,每條指令的執(zhí)行過程如下: 取指周期執(zhí)行周期1執(zhí)行周期2執(zhí)行周期3執(zhí)行周期4 第一個(gè)機(jī)器周期總是取指周期,而指令的地址總是從PC中獲得,當(dāng)發(fā)出讀取存儲(chǔ)器命令后,指令總是從數(shù)據(jù)總線DB送回,CPU接受到指令之后,. 第二個(gè)機(jī)器周期開始,根據(jù)指令有所不同: 執(zhí)行一次ALU運(yùn)算:分配一個(gè)機(jī)器周期. 執(zhí)行訪問一次存儲(chǔ)器:分配一個(gè)機(jī)器周期. 所以,根據(jù)指令執(zhí)行的不同情況,將會(huì)得到不同指令執(zhí)行所占用的機(jī)器周期. 根據(jù)每個(gè)機(jī)器周期完成的任務(wù)不同,.2．指令執(zhí)行過程舉例 假設(shè)指令格式如下:操作碼rs,rdrs1imm(Disp) rs,rd,rsl為通用寄存器地址。“+”(加法命令送ALU)。將PC送地址總線 ADS=cy1讀操作 DB→IR=cy1 。送通用寄存器地址 (rs1)→ALU=加法指令偏移量送ALU “+”=加法指令運(yùn)算結(jié)果送地址總線例如,“+”操作控制信號在加法指令的cy2(計(jì)算有效地址)和cy4(操作數(shù)相加)時(shí)需要。(cy2+cy4)+減法指令cy2+邏輯加指令OP1 DB→IR等.PC→AB等就是微命令.微指令:在微程序控制的計(jì)算機(jī)中,將由同時(shí)發(fā)出的控制信號所執(zhí)行的一組微操作稱為微指令,按次序執(zhí)行這些微指令,.微程序:計(jì)算機(jī)的程序由指令序列構(gòu)成,而計(jì)算機(jī)每條指令的功能均由微指令序列解釋完成,這些微指令序列的集合就叫做微程序.(2)微指令的編碼方式。PC＋1).(五) 指令流水線1. 指令流水線的基本概念(1)流水線基本原理:指令取指完成后,不等該指令執(zhí)行完畢即可取下一條指令.如果把一條指令的解釋過程進(jìn)一步細(xì)分,例如,把分析,執(zhí)行兩個(gè)過程分成取指,譯碼,執(zhí)行,訪存和寫回寄存器五個(gè)子過程,并用五個(gè)子部件分別處理這五個(gè)子過程. 這樣只需在上一指令的第一子過程處理完畢進(jìn)入第二子過程處理時(shí),這種重疊操作最后可達(dá)到五個(gè)子部件同時(shí)對五條指令的子過程進(jìn)行操作.指令六級流水時(shí)序(2)影響流水線性能的因素在流水線中會(huì)出現(xiàn)三種相關(guān),影響流水線的暢通流動(dòng),這三種相關(guān)是結(jié)構(gòu)相關(guān),數(shù)據(jù)相關(guān)和控制相關(guān).結(jié)構(gòu)相關(guān)是當(dāng)多條指令進(jìn)。而在非順序執(zhí)行時(shí)則要產(chǎn)生一個(gè)轉(zhuǎn)移微地址.2增量與下址字段結(jié)合產(chǎn)生后繼微地址 將微指令的下址字段分成兩部分:轉(zhuǎn)移控制字段BCF和轉(zhuǎn)移地址字段BAF,當(dāng)微程序?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)移時(shí),將BAF送181。cy2 只需要一個(gè)與門,就可實(shí)現(xiàn)命令A(yù).2. 微程序控制器(1)微程序,微指令和微命令在計(jì)算機(jī)中,一條指令的功能是通過按一定次序執(zhí)行一系列基本操作完成的,前面講到的加法指令,分成四步(取指令,計(jì)算地址,取數(shù),加法運(yùn)算)完成,.微操作是指最基本的,不可再分的操作,如前面提到的: PC→AB。+減法指令+邏輯加指令+…)cy2+… 設(shè)機(jī)器有7位操作碼(OP0～OP6),假設(shè)加法指令的操作碼為0001100,形成的加法指令信號的邏輯表達(dá)式為: 加法指令= OP0OP1OP2OP3OP4OP5OP6如,某機(jī)器128條指令,用7位操作碼(OP0～OP6),如果其中有16條算術(shù)邏輯運(yùn)算指令,可以將這些指令的3位操作碼都設(shè)計(jì)相同的編碼,如OP0OP1OP2= 001,而其他位OP3～OP6編碼表示16個(gè)不同的指令. 設(shè)命令A(yù)是所有算術(shù)邏輯運(yùn)算在cy2周期需要產(chǎn)生的,邏輯表達(dá)式: A=加法指令轉(zhuǎn)移指令的cy2(計(jì)算有效地址)時(shí)需要。ALU執(zhí)行加法操作 ALU→AR=加法指令通用寄存器送ALU Disp→ALU=加法指令將程序計(jì)數(shù)器加1計(jì)算地址周期cy2需要完成有效地址((rs1)+Disp): rs1→GR=加法指令存儲(chǔ)器地質(zhì)有效 M/IO=cy1 。DB→DR(將地址寄存器內(nèi)容送地址總線,同時(shí)發(fā)訪存讀命令,存儲(chǔ)器讀出數(shù)據(jù)送數(shù)據(jù)總線后,打入數(shù)據(jù)寄存器).④執(zhí)行周期進(jìn)行加法運(yùn)算,結(jié)果送寄存器,并根據(jù)運(yùn)算結(jié)果置狀態(tài)位N,Z,V,C. 控制器送出的控制信號:rs,rd→GR, (rs)→ALU,DR→ALU(兩個(gè)源操作數(shù)送ALU)。DB→IR。又如執(zhí)行條件轉(zhuǎn)移指令時(shí),根據(jù)不同的條件產(chǎn)生不同的控制信號,從而進(jìn)入適當(dāng)?shù)某绦蚍种?(二) 指令執(zhí)行過程1．指令執(zhí)行的時(shí)序 計(jì)算機(jī)工作的過程是取指令,分析指令,(寄存器,存儲(chǔ)器)存儲(chǔ)器的速度最慢,因此,取最慢的器件工作時(shí)間(周期)作為整個(gè)工作的最長同步標(biāo)準(zhǔn). ,(讀/寫),這個(gè)時(shí)間也用于訪問外設(shè)接口(寄存器).如果,某個(gè)操作,比如利用運(yùn)算器執(zhí)行一次運(yùn)算,如果不訪問存儲(chǔ)器,即使占用的時(shí)間很短,但是,機(jī)器周期是計(jì)算時(shí)序劃分的最大單位.現(xiàn)在我們?yōu)橛?jì)算機(jī)的執(zhí)行時(shí)間進(jìn)行最基本的劃分:由于計(jì)算機(jī)不斷地重復(fù)執(zhí)行每個(gè)指令,所以,我們將執(zhí)行的時(shí)間劃分為一條一條指令執(zhí)行所占用的時(shí)間,如下: 執(zhí)行指令1執(zhí)行指令2執(zhí)行指令3執(zhí)行指令4執(zhí)行指令5 ,因此執(zhí)行的時(shí)間也不同,指令周期長短不一樣. 而每條指令的執(zhí)行,又可以是取指令,分析指令,所占用的時(shí)間極短,(結(jié)束之前的很短時(shí)間內(nèi)):可能不訪問存儲(chǔ)器。再取指,再分析,再執(zhí)行,如此循環(huán),直到遇到停機(jī)指令或外來的干預(yù)為止.4)．控制程序和數(shù)據(jù)的輸入與結(jié)果輸出根據(jù)程序的安排或人的干預(yù),在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候向輸入輸出設(shè)備發(fā)出一些相應(yīng)的命令來完成I/O功能,這實(shí)際上也是通過執(zhí)行程序來完成的.5)．對異常情況和某些請求的處理當(dāng)機(jī)器出現(xiàn)某些異常情況,諸如算術(shù)運(yùn)算的溢出和數(shù)據(jù)傳送的奇偶錯(cuò)等。采用 流水技術(shù) 一個(gè)時(shí)鐘周期 內(nèi)完成一條指令6)硬布線控制邏輯為主,不用或少用微碼控制。選用使用頻度較高的一些 簡單指令,復(fù)雜指令的功能由簡單指令來組合2)指令長度固定。彈出指令(POP)的操作剛好相反,是把棧頂?shù)臄?shù)據(jù)取出,送到指令所指定的目的地.一般的計(jì)算機(jī)中,堆棧從高地址向低地址擴(kuò)展,即棧底的地址總是大于或等于棧頂?shù)牡刂?也有少數(shù)計(jì)算機(jī)剛好相反)當(dāng)執(zhí)行壓入操作時(shí),首先把堆棧指針(SP)減量(減量的多少取決于壓入數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù),若壓入一個(gè)字節(jié),則減1。如果裝入位為假時(shí),表示該頁不在存儲(chǔ)器中,就產(chǎn)生頁失效中斷,需從外存調(diào)入頁.中斷處理時(shí)先通過外部地址變換,一般通過查外頁表,將虛地址變換為外存中的實(shí)際地址,到外存中去選頁,然后通過I/.,每次訪存都要讀頁表,如果頁存放在主存中,就意味著訪存時(shí)間至少是兩次訪問主存的時(shí)間,虛擬存儲(chǔ)器才能實(shí)用.根據(jù)訪存的局部性,可能只用表中的很少幾項(xiàng),因此應(yīng)重點(diǎn)提高使用概率高的這部分頁表的訪問速度,可用快速硬件構(gòu)成全表小得多的部分表格,而將整個(gè)表格放在主存中,虛地址到實(shí)地址的變換方法如后圖所示.查表時(shí),根據(jù)虛頁表同時(shí)查找快表和慢表,當(dāng)在快表中查到該虛頁號時(shí),就能很快找到對應(yīng)的實(shí)頁號,將其送入主存實(shí)地址寄存器,同時(shí)使慢表的查找作廢,這時(shí)主存的訪問速度沒降低多少.如果在快表中查不到,則經(jīng)過一個(gè)訪主存的時(shí)間延遲后,將從慢表中查到的實(shí)頁送入實(shí)地址寄存器,同時(shí)將此虛頁號和對應(yīng)的實(shí)頁號送入快表,這里也涉及到用一個(gè)替換算法從快表中替換出一行.快表的存在對所有的程序員都是透明的.軟磁盤存儲(chǔ)器硬盤軟盤速度高低磁頭固定、活動(dòng)、浮動(dòng)活動(dòng)、接觸盤片盤片固定盤、盤組大部分不可換可換盤片價(jià)格高低環(huán)境苛刻四, 指令系統(tǒng)人們習(xí)慣把每一條機(jī)器語言的語句稱為機(jī)器指令,而又將全部機(jī)器指令的集合稱為機(jī)器的指令系統(tǒng)指令的執(zhí)行過程 讀取指令 指令地址(在PC中)送到地址寄存器 讀主存,讀出內(nèi)容(指令代碼)送入指令寄存器IR 分析指令 形成下一條指令的地址并送到PC中 執(zhí)行指令 用一到幾個(gè)執(zhí)行步驟,完成指令的運(yùn)算、操作功能, 不同的指令操作步驟和具體運(yùn)算、操作功能各不相同 減產(chǎn)有無中斷請求 無中斷請求、進(jìn)入下一條指令的執(zhí)行過程 (一) 指令格式1. 指令的基本格式,操作結(jié)果的去向及所執(zhí)行的操作,一條指令必須包含下列信息: (1)操作碼,具體說明了操作的性質(zhì)及功能. (2)操作數(shù)的地址. (3)操作結(jié)果的存儲(chǔ)地址. (4)下一條指令的地址. 從上述分析可知,一條指令實(shí)際上包括兩種信息即操作碼和地址碼.操作碼(operation code)用來表示該指令所要完成的操作(如加,減,乘,除,數(shù)據(jù)傳送等),則該機(jī)器最多包含27=128條指令.地址碼用來描述該指令的操作對象,或直接給出操作數(shù)或指出操作數(shù)的存儲(chǔ)器地址或寄存器地址(即寄存器名).操作碼的長度不固定會(huì)增加指令譯碼和分析難度,使控制器的設(shè)計(jì)復(fù)雜.操作碼尋址地址形式地址A形式地址 指令字中的地址有效地址 操作數(shù)的真實(shí)地址約定 指令字長=存儲(chǔ)字長=機(jī)器字長2. 定長操作碼指令格式1)零地址指令OP格式: OP——操作碼指令中只有操作碼,:(1)無需任何操作數(shù),如空操作指令,停機(jī)指令等.(2),所需的操作數(shù)默認(rèn)在堆棧中,由堆棧指針SP隱含指出, 8086的字符串處理指令,源,目的操作數(shù)分別默認(rèn)在源變址寄存器SI和目的變址寄存器DI所指定的存儲(chǔ)器單元中.2)一地址指令格式:OP——操作碼A——操作數(shù)的存儲(chǔ)器地址或寄存器名指令中只給出一個(gè)地址,該地址既是操作數(shù)的地址,減1和移位等單操作數(shù)指令均采用這種格式,對這一地址所指定的操作數(shù)執(zhí)行相應(yīng)的操作后,產(chǎn)生的結(jié)果又存回該地址中.在某些字長較短的微型機(jī)中(如早期的Z80,Intel8080,MC6800等),大多數(shù)算術(shù)邏輯指令也采用這種格式,第一個(gè)源操作數(shù)由地址碼A給出,第二個(gè)源操作數(shù)在一個(gè)默認(rèn)的寄存器中,運(yùn)算結(jié)果仍送回到這個(gè)寄存器中,替換了原寄存器內(nèi)容,通常把這個(gè)寄存器稱累加器.3)二地址指令格式:OP——操作碼 A1——第一個(gè)源操作數(shù)的存儲(chǔ)器地址或寄存器地址. A2——第二個(gè)源操作數(shù)和存放操作結(jié)果的存儲(chǔ)器地址或寄存器地址.這是最常見的指令格式,兩個(gè)地址指出兩個(gè)源