【正文】 OP2cy2 。ALU→AR(有效地址送地址寄存器).③取數(shù)周期到存儲(chǔ)器取數(shù). 控制器發(fā)出的控制信號(hào):AR→AB,W/R=0,M/IO=1。CPU 中有多個(gè) 通用 寄存器5)大部分指令在一個(gè)或小于一個(gè)機(jī)器周期完成。2E127 2)原碼定點(diǎn)數(shù)的加/減運(yùn)算。運(yùn)算器用來(lái)完成算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算并將的中間結(jié)果暫存在運(yùn)算器內(nèi)G(x)]+[R(x)+R(x)] =Q(x)如果結(jié)果為負(fù),上商為0,再將除數(shù)加到余數(shù)中,.2加減交替法當(dāng)余數(shù)為正時(shí),商上1,求下一位商的辦法,余數(shù)左移一位,再減去除數(shù)。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。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(hào),從而進(jìn)入適當(dāng)?shù)某绦蚍种?(二) 指令執(zhí)行過(guò)程1．指令執(zhí)行的時(shí)序 計(jì)算機(jī)工作的過(guò)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(zhǎng)同步標(biāo)準(zhǔn). ,(讀/寫(xiě)),這個(gè)時(shí)間也用于訪問(wèn)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(wèn)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(zhǎng)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(wèn)存儲(chǔ)器。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(hào)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(guò)程進(jìn)一步細(xì)分,例如,把分析,執(zhí)行兩個(gè)過(guò)程分成取指,譯碼,執(zhí)行,訪存和寫(xiě)回寄存器五個(gè)子過(guò)程,并用五個(gè)子部件分別處理這五個(gè)子過(guò)程. 這樣只需在上一指令的第一子過(guò)程處理完畢進(jìn)入第二子過(guò)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(duì)五條指令的子過(guò)程進(jìn)行操作.指令六級(jí)流水時(shí)序(2)影響流水線性能的因素在。(cy2+cy4)+減法指令讀操作 DB→IR=cy1 。而在另一些計(jì)算機(jī)中則用來(lái)存放即將要執(zhí)行的下一條指令地址。(3)15條一地址指令的操作碼由12位操作碼從111111110000～111111111110給出,剩下的一個(gè)碼點(diǎn)111111111111用于把操作碼擴(kuò)展到A3,即從12位擴(kuò)展到16位。(2) Yn+1 ,Yn =1( Yn+1 Yn =10) ,部分積加[X]補(bǔ),右移1位。xr+R(x)=[Q(x)控制器用來(lái)控制,指揮程序和數(shù)據(jù)的輸入,運(yùn)行以及處理運(yùn)行結(jié)果(1) 加法 整數(shù) [A]補(bǔ) + [B]補(bǔ)= [A+B]補(bǔ)(mod 2n+1)小數(shù) [A]補(bǔ) + [B]補(bǔ)= [A+B]補(bǔ)(mod 2)(2) 減法 整數(shù) [A]補(bǔ) [B]補(bǔ)= [A+(B)]補(bǔ)=[A]補(bǔ) + [B]補(bǔ)(mod 2n+1)小數(shù) [A]補(bǔ) [B]補(bǔ)= [A+(B)]補(bǔ)=[A]補(bǔ) + [B]補(bǔ)(mod 2)無(wú)需符號(hào)判定,連同符號(hào)位一起相加,符號(hào)位產(chǎn)生的進(jìn)位自然丟掉4)定點(diǎn)數(shù)的乘/除運(yùn)算(1)一位乘法1原碼定點(diǎn)一位乘法 兩個(gè)原碼數(shù)相乘,其乘積的符號(hào)為相乘兩數(shù)的異或值,數(shù)值兩數(shù)絕對(duì)值之積.設(shè) [X]原=X0 X1 X2 …Xn [Y]原=Y0 Y1 Y2 …Yn [X目前,動(dòng)態(tài)RAM的應(yīng)用比靜態(tài)RAM要廣泛的多：① 同樣大小的芯片中,動(dòng)態(tài)的RAM的集成度遠(yuǎn)高于靜態(tài)RAM,DRAM的基本單元電路為一個(gè)MOS管,SRAM的基本單元電路可為4~6個(gè)MOS管② DRAM行、列按先后順序輸送,減少了芯片引腳,封裝尺寸也減少③ DRAM的功耗比SRAM?、?DRAM的價(jià)格比SRAM的價(jià)格便宜DRAM也有缺點(diǎn)① 由于使用動(dòng)態(tài)元件(電容),因此它的速度比SRAM低② DRAM需再生,需配置再生電路,對(duì)比項(xiàng)目SRAMDRAM儲(chǔ)存信息觸發(fā)器電容破壞性讀出非是需要刷新非是行列地址同時(shí)送分兩次運(yùn)行速度快慢集成度低高發(fā)熱量大小存儲(chǔ)成本高低 (二) 存儲(chǔ)器的層次化結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)器有3個(gè)重要的指標(biāo):速度,容量和每位價(jià)格,一般來(lái)說(shuō),速度越快,位價(jià)越高。采用 組合邏輯 實(shí)現(xiàn)控制器7)一般用高級(jí)語(yǔ)言編程,特別重視編譯優(yōu)化,以減少程序執(zhí)行時(shí)間.采用 優(yōu)化 的 編譯 程序(3)RISC的發(fā)展 1983年,一些中小型公司開(kāi)始推出RISC產(chǎn)品,由于其高性能價(jià)格比,。ALU→rd(運(yùn)算結(jié)果送寄存器rd)(三) 數(shù)據(jù)通路的功能和基本結(jié)構(gòu)CPU的數(shù)據(jù)通路是連接CPU內(nèi)部各個(gè)部件以及和CPU外部個(gè)部件之間的數(shù)據(jù)和控制信號(hào)的連接關(guān)系圖. 數(shù)據(jù)通路的基本結(jié)構(gòu):(四) 控制器的功能和工作原理1. 硬布線控制器控制器控制信號(hào)的產(chǎn)生是采用邏輯電路,也稱(chēng)組合邏輯電路控制方式. “時(shí)序控制信號(hào)形成部件”,需要幾十~幾百條指令,確定每條指令所需的機(jī)器周期,將情況相同的指令歸并在一起,列出表達(dá)式,畫(huà)出邏輯圖.(1)時(shí)序與節(jié)拍每一步由一個(gè)機(jī)器周期來(lái)完成,假設(shè)采用4個(gè)機(jī)器周期,總之,需要4個(gè)不同的信號(hào)輸出,代表4個(gè)不同的周期.(2)操作碼譯碼器 指令的操作碼部分指出本指令將執(zhí)行什么指令,如加法,采用不同的代碼表示.(3)操作控制信號(hào)的產(chǎn)生 以加法指令為例,加法指令的完成是由4個(gè)機(jī)器周期cy1,cy2,cy3,cy4組成,分別是取指,計(jì)算地址,取數(shù),計(jì)算4個(gè)機(jī)器周期.將所有的機(jī)器周期的操作控制信號(hào)的邏輯表達(dá)式全部寫(xiě)出來(lái),就會(huì)得到各個(gè)操作控制信號(hào)的所有表達(dá)式,再將這些表達(dá)式安每個(gè)操作控制信號(hào)組合起來(lái),就得到某個(gè)操作控制信號(hào)的表達(dá)式.取指周期需要產(chǎn)生的操作控制信號(hào)如下: PC→AB=cy1 。cy2 。 W/R=0。cy2 = OP0cy2 。PC＋1.②計(jì)算地址周期計(jì)算數(shù)據(jù)地址,將計(jì)算得到的有效地址送地址寄存器AR. 控制器發(fā)出的控制信號(hào):rsl→GR,(rsl)→ALU,disp→ALU(將rsl的內(nèi)容與disp送ALU)。指令 長(zhǎng)度固定、指令格式種類(lèi)少、尋址方式少 3)只有取數(shù)/存數(shù)指令(load/store)訪問(wèn)內(nèi)存。2126右移,絕對(duì)值縮小.算術(shù)移位規(guī)則符號(hào)位不變碼制添補(bǔ)代碼正數(shù)0負(fù)數(shù)原0補(bǔ)右移添0左移添1反1算術(shù)移位和邏輯移位的區(qū)別:算術(shù)移位:帶符號(hào)數(shù)移位。諾依曼(von Neumann)在研究EDVAC機(jī)時(shí)提出了“儲(chǔ)存程序”“.”(對(duì)于小數(shù))或“,”(對(duì)于整數(shù))隔開(kāi)若兩數(shù)異號(hào),否則,商上0,該商為結(jié)果的符號(hào)位.2〉,將除數(shù)左移一位后減去除數(shù)。當(dāng)執(zhí)行彈出操作時(shí),首先把sp所指定的單元(即棧頂)的數(shù)據(jù)取出,然后根據(jù)數(shù)據(jù)的大小(即所占的字節(jié)數(shù))對(duì)SP增量.設(shè)計(jì)指令格式應(yīng)考慮的各種因素指令系統(tǒng)集中反映了機(jī)器的性能,又是程序員編程的依據(jù),高檔機(jī)必須能兼容低檔機(jī)的程序運(yùn)行,稱(chēng)之為“向上兼容”.,在確定指令系統(tǒng)時(shí),必須從以下幾個(gè)方面綜合考慮.① 操作類(lèi)型：包括指令數(shù)及操作的難易程度② 數(shù)據(jù)類(lèi)型：確定哪些數(shù)據(jù)類(lèi)型可以參加操作③ 指令格式：包括指令字長(zhǎng)、操作碼位數(shù)、地址碼位數(shù)、地址個(gè)數(shù)、尋址方式類(lèi)型、以及指令字長(zhǎng)和操作碼位數(shù)是否可變等.④ 尋址方式：包括指令和操作數(shù)具體有哪些尋址方式.⑤ 寄存器個(gè)數(shù)：寄存器的多少直接影響指令的執(zhí)行時(shí)間.尋址方式詳情指令尋址順序?qū)ぶ讽樞驅(qū)ぶ房赏ㄟ^(guò)程序計(jì)數(shù)器PC加1自動(dòng)形成下一條指令的地址跳躍尋址跳躍尋址則通過(guò)轉(zhuǎn)移類(lèi)指令實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)尋址操作數(shù)本身設(shè)在指令字內(nèi),即形式地址A不是操作數(shù)地址而是操作數(shù)本身l 指令執(zhí)行階段不訪存l A的位數(shù)限制了這類(lèi)指令所能表述的立即數(shù)的范圍指令中的形式地址A就是操作數(shù)的真實(shí)地址EA,即EA=A l 執(zhí)行階段訪問(wèn)一次存儲(chǔ)器l 缺點(diǎn)在于A的位數(shù)限制了操作數(shù)的尋址范圍而且必須修改A的值才能修改操作數(shù)的地址指令字中不明顯給出操作數(shù)的地址,其操作數(shù)的地址隱含在操作碼或某個(gè)寄存器中l(wèi) 由于隱含尋址在指令字中少了一個(gè)地址,因此,這種尋址方式的指令有利于縮短指令字長(zhǎng)倘若指令字中的形式地址不直接指出操作數(shù)的地址,而是指出操作數(shù)有效地址所在的存儲(chǔ)單元的地址,也就是說(shuō),有效地址是由形式地址間接提供的,即為間接地址,即EA=(A)優(yōu)點(diǎn)1. 與直接尋址相比,擴(kuò)大了操作數(shù)的尋址范圍,因?yàn)锳的位數(shù)通常小于指令字長(zhǎng),而存儲(chǔ)字長(zhǎng)可與指令字長(zhǎng)相等2. 它便于編制程序缺點(diǎn)l 指令的執(zhí)行階段需要訪存兩次(一次間接尋址)或多次(多次間接尋址),致使指令執(zhí)行時(shí)間延長(zhǎng)在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(hào),即EA=Rl 由于地址字段只需指明寄存器編號(hào)(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(wèn)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(zhǎng)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(chēng)為基地址)相加,即EA=A+(BR)采用專(zhuān)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(guò)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(hù)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(guò)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(hù)給定l 在程序的執(zhí)行過(guò)程中 IX 內(nèi)容可變,形式地址 A 不變l 便于處理數(shù)組問(wèn)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(duì)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(chēng)為硬堆棧)來(lái)實(shí)現(xiàn),也可利用主存的一部分空間作堆棧(稱(chēng)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(lái)提高操作系統(tǒng)的效率,并盡量縮短指令系統(tǒng)與高級(jí)語(yǔ)言的語(yǔ)義差別,以便于高級(jí)語(yǔ)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(lái)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(chēng)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(jiǎn)稱(chēng)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(jiǎn)單指令集計(jì)算機(jī))(1)RISC的產(chǎn)生 1975年IBM公司開(kāi)始研究指令的合理性問(wèn)題,IBM的John cocke 提出了RISC的想法. 對(duì)CISC的測(cè)試表明:最長(zhǎng)使用的是一些簡(jiǎn)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(zhǎng),成本高,難于實(shí)現(xiàn)流水線。,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(guò)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(kāi)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(wèn)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(guò)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。送通用寄存器