【正文】 。 前者采用空間并行技術(shù) ， 后者采用時間并行技術(shù) 。 – 相聯(lián)存儲器不是按地址而是按內(nèi)容訪問的存儲器 ， 在 cache中用來存放行地址表 ， 在虛擬存儲器中用來存放段表 、 頁表和快表 。在這兩種應用中 ， 都需要快速查找 。 第三章：存儲系統(tǒng) ? 總結(jié) – cache是一種高速緩沖存儲器 ， 是為了解決 CPU和主存之間速度不匹配而采用的一項重要的硬件技術(shù) ， 并且發(fā)展為多級 cache體系 ，指令 cache與數(shù)據(jù) cache分設(shè)體系 。 要求 cache的命中率接近于 1。主存與 cache的地址映射有全相聯(lián) 、 直接 、 組相聯(lián)三種方式 。 其中組相聯(lián)方式是前二者的折衷方案 ， 適度地兼顧了二者的優(yōu)點又盡量避免其缺點 ， 從靈活性 、 命中率 、 硬件投資來說較為理想 ， 因而得到了普遍采用 。 – 虛擬存儲器指的是主存 外存層次 ， 它給用戶提供了一個比實際主存空間大得多的虛擬地址空間 。 因此虛擬存儲器只是一個容量非常大的存儲器的邏輯模型 ， 不是任何實際的物理存儲器 。 按照主存 外存層次的信息傳送單位不同 ， 虛擬存儲器有頁式 、 段式 、段頁式三類 。 –多個用戶共享主存時 ， 系統(tǒng)應提供存儲保護 。 通常采用的方法是存儲區(qū)域保護和訪問方式保護 ， 并用硬件來實現(xiàn) 。 有些機器中提供特權(quán)指令來實現(xiàn)某種保護 第四章：指令系統(tǒng) ? 基本概念 – 計算機的程序是由一系列的機器指令組成的 –指令就是要計算機執(zhí)行某種操作的命令 。 –從計算機組成的層次結(jié)構(gòu)來說 ， 計算機的指令有微指令 、 機器指令和宏指令之分 。 –微指令是微程序級的命令 ， 它屬于硬件； –宏指令是由若干條機器指令組成的軟件指令 ， 它屬于軟件； –而機器指令則介于微指令與宏指令之間 ， 通常簡稱為指令 ， 每一條指令可完成一個獨立的算術(shù)運算或邏輯運算操作 。 –一臺計算機中所有機器指令的集合 ， 稱為這臺計算機的指令系統(tǒng) 。 –指令系統(tǒng)是表征一臺計算機性能的重要因素 ， 它的格式與功能不僅直接影響到機器的硬件結(jié)構(gòu) ， 而且也直接影響到系統(tǒng)軟件 ， 影響到機器的適用范圍 第四章：指令系統(tǒng) ? 指令系統(tǒng)地發(fā)展 – 50年代 ， 由于受器件限制 ， 計算機的硬件結(jié)構(gòu)比較簡單 ， 所支持的指令系統(tǒng)只有定點加減 、 邏輯運算 、 數(shù)據(jù)傳送 、 轉(zhuǎn)移等十幾至幾十條指令 。 – 60年代后期 ， 隨著集成電路的出現(xiàn) ， 硬件功能不斷增強 ， 指令系統(tǒng)越來越豐富 ， 除以上基本指令外 ， 還設(shè)置了乘除運算 、 浮點運算 、 十進制運算 、 字符串處理等指令 ， 指令數(shù)目多達一二百條 ，尋址方式也趨多樣化 。 – 隨著集成電路的發(fā)展和計算機應用領(lǐng)域的不斷擴大 ， 60年代后期開始出現(xiàn)系列計算機 。 所謂系列計算機 ， 是指基本指令系統(tǒng)相同 、 基本體系結(jié)構(gòu)相同的一系列計算機 。 –70年代末期 ， 計算機硬件結(jié)構(gòu)隨著 VLSI技術(shù)的飛速發(fā)展而越來越復雜化 ， 大多數(shù)計算機的指令系統(tǒng)多達幾百條 。 我們稱這些計算機為復雜指令系統(tǒng)計算機 ， 簡稱 CISC。 –龐大的指令系統(tǒng)不但使計算機的研制周期變長 ， 難以保證正確性 ，不易調(diào)試維護 ， 而且由于采用了大量使用頻率很低的復雜指令而造成硬件資源浪費 。 為此又提出了便于 VLSI技術(shù)實現(xiàn)的精簡指令系統(tǒng)計算機 ， 簡稱 RISC。 第四章：指令系統(tǒng) – ? ? 有效性 ? 規(guī)整性 ? 兼容性 ? 指令格式 –機器指令是用機器字來表示的 。 表示一條指令的機器字 ， 就稱為指令字 ， 通常簡稱指令 。 –指令格式則是指令字用二進制代碼表示的結(jié)構(gòu)形式 ， 通常由操作碼字段和地址碼字段組成 。 操作碼字段表征指令的操作特性與功能 ， 而地址碼字段通常指定參與操作的操作數(shù)的地址 。 操作碼字段 地址碼字段 第四章：指令系統(tǒng) –指令的操作碼表示該指令應進行什么性質(zhì)的操作 ， 如進行加法 、減法 、 乘法 、 除法 、 取數(shù) 、 存數(shù)等等 。 不同的指令用操作碼字段的不同編碼來表示 ， 每一種編碼代表一種指令 。 –組成操作碼字段的位數(shù)一般取決于計算機指令系統(tǒng)的規(guī)模 。 較大的指令系統(tǒng)就需要更多的位數(shù)來表示每條特定的指令 。 –一般來說 ， 一個包含 n位的操作碼最多能夠表示 2n條指令 。 –根據(jù)一條指令中有幾個操作數(shù)地址 ， 可將該指令稱為幾操作數(shù)指令或幾地址指令 。 –一般的操作數(shù)有被操作數(shù) 、 操作數(shù)及操作結(jié)果這三種數(shù) ， 因而就形成了三地址指令格式 ， 這是早期計算機指令的基本格式 。 –在三地址指令格式的基礎(chǔ)上 ， 后來又發(fā)展成二地址格式 、 一地址格式和零地址格式 。 –地址可以是內(nèi)存中的單元地址 ， 也可以是運算器中通用寄存器的地址 。 第四章：指令系統(tǒng) – 在二地址指令格式中 ， 從操作數(shù)的物理位置來說 ， 又可歸結(jié)為三種類型 。 ? 第一種是訪問內(nèi)存的指令格式 ， 我們稱這類指令為存儲器 存儲器 (SS)型指令 。 ? 第二種是訪問寄存器的指令格式 ， 我們稱這類指令為寄存器寄存器 (RR)型指令 。 ? 第三種類型為寄存器 存儲器 (RS)型指令 ， 執(zhí)行此類指令時 ，既要訪問內(nèi)存單元 ， 又要訪問寄存器 – 一個指令字中包含二進制代碼的位數(shù) ， 稱為指令字長度 。 – 機器字長是指計算機能直接處理的二進制數(shù)據(jù)的位數(shù) ， 它決定了計算機的運算精度 。 – 機器字長通常與主存單元的位數(shù)一致 。 指令字長度等于機器字長度的指令 ， 稱為單字長指令；指令字長度等于半個機器字長度的指令 ， 稱為半字長指令 。指令字長度等于兩個機器字長度的指令 ，稱為雙字長指令 。 第四章：指令系統(tǒng) ? 【 例 】 機器字長 16位 ， 指令格式如下所示 ， 其中 OP為操作碼 ， 試分析指令格式的特點 。 1 5 9 7 4 3 0OP —— 源寄存器 目標寄存器解： (1) (2)操作碼字段 OP可以指定 27=128 (3)源寄存器和目標寄存器都是通用寄存器 (可分別指定 16個 )，所以是 RR (4)這種指令結(jié)構(gòu)常用于算術(shù)邏輯運算類指令。 第四章：指令系統(tǒng) ? 【 例 】 機器字長 16位 ， 指令格式如下所示 ， OP為操作碼字段 ， 試分析指令格式特點 。 15 1 0 7 4 3 0OP —— 源寄存器 變址寄存器位移量 （ 16 位）解： (1) (2)操作碼字段 OP為 6位，可以指定 26=64種操作。 (3)一個操作數(shù)在源寄存器 (共 16個 )，另一個操作數(shù)在存儲器中 (由變址寄存器和位移量決定 )，所以是 RS型指令。 （ 4）此指令是訪問存儲器指令 第四章：指令系統(tǒng) ? 指令和數(shù)據(jù)地尋址方式 – 存儲器既可用來存放數(shù)據(jù) ， 又可用來存放指令 。 因此 ， 當某個操作數(shù)或某條指令存放在某個存儲單元時 ， 其存儲單元的編號 ，就是該操作數(shù)或指令在存儲器中的地址 。 –在存儲器中 ， 操作數(shù)或指令字寫入或讀出的方式 ， 有地址指定方式 、 相聯(lián)存儲方式和堆棧存取方式 。 –幾乎所有的計算機 ， 在內(nèi)存中都采用地址指定方式 。 當采用地址指定方式時 ， 形成操作數(shù)或指令地址的方式 ， 稱為尋址方式 。 –尋址方式分為兩類 ， 即指令尋址方式和數(shù)據(jù)尋址方式 ， 前者比較簡單 ， 后者比較復雜 。 –指令的尋址方式有兩種 ， 一種是順序?qū)ぶ贩绞?， 另一種是跳躍尋址方式 。 ? 由于指令地址在內(nèi)存中按順序安排 ， 當執(zhí)行一段程序時 ， 通常是一條指令接一條指令的順序進行 。 順序?qū)ぶ贩绞绞褂贸绦蛴嫈?shù)器 (又稱指令指針寄存器 )PC來計數(shù)指令的順序號 ， 該順序號就是指令在內(nèi)存中的地址 。 第四章：指令系統(tǒng) ? 當程序轉(zhuǎn)移執(zhí)行的順序時 ， 指令的尋址就采取跳躍尋址方式 。所謂跳躍 ， 是指下條指令的地址碼不是由程序計數(shù)器給出 ，而是由本條指令給出 。 ? 采用指令跳躍尋址方式 ， 可以實現(xiàn)程序轉(zhuǎn)移或構(gòu)成循環(huán)程序 ，從而能縮短程序長度 ， 或?qū)⒛承┏绦蜃鳛楣渤绦蛞?。 指令系統(tǒng)中的各種條件轉(zhuǎn)移或無條件轉(zhuǎn)移指令 ， 就是為了實現(xiàn)指令的跳躍尋址而設(shè)置的 。 –形成操作數(shù)的有效地址的方法 ， 稱為操作數(shù)的尋址方式 。 ? 由于指令中操作數(shù)字段的地址碼是由形式地址和尋址方式特征位等組合形成 ， 因此 ， 一般來說 ， 指令中所給出的地址碼 ，并不是操作數(shù)的有效地址 。 ? 形式地址 ， 也稱偏移量 ， 它是指令字結(jié)構(gòu)中給定的地址量 ，包括尋址方式特征位 ， 尋址過程就是把操作數(shù)的形式地址 ，變換為操作數(shù)的有效地址的過程 。 第四章：指令系統(tǒng) –典型常用的尋址方式 ? 隱含尋址：這種類型的指令 ， 不是明顯地給出操作數(shù)的地址 ，而是在指令中隱含著操作數(shù)的地址 。 ? 立即尋址： 指令的地址字段指出的不是操作數(shù)的地址 ， 而是操作數(shù)本身 ， 這種尋址方式稱為立即尋址 。 ? 直接尋址： 直接尋址是一種基本的尋址方法 ， 其特點是：在指令格式的地址字段中直接指出操作數(shù)在內(nèi)存的地址 D。 由于操作數(shù)的地址直接給出而不需要經(jīng)過某種變換 。 有效地址 E＝ D ? 間接尋址：間 接尋址是相對于直接尋址而言的 ， 在間接尋址的情況下 ， 指令地址字段中的形式地址 D不是操作數(shù)的真正地址 ， 而是操作數(shù)地址的指示器 ， 或者說 D單元的內(nèi)容才是操作數(shù)的有效地址 。 有效地址 E＝ (D) 第四章：指令系統(tǒng) –典型常用的尋址方式 ? 寄存器尋址方式：當操作數(shù)不放在內(nèi)存中 ， 而是放在 CPU的通用寄存器中時 ， 可采用寄存器尋址方式 。 顯然 ， 此時指令中給出的操作數(shù)地址不是內(nèi)存的地址單元號 ， 而是通用寄存器的編號 。 指令結(jié)構(gòu)中的 RR型指令 ， 就是采用寄存器尋址方式的例子 。 有效地址 E=Ri ? 寄存器間接尋址方式：寄存器間接尋址方式與寄存器尋址方式的區(qū)別在于 ， 指令格式中的寄存器內(nèi)容不是操作數(shù) ， 而是操作數(shù)的地址 ， 該地址指明的操作數(shù)在內(nèi)存中 。 有效地址 E=（ Ri） ? 相對尋址：是把程序計數(shù)器 PC的內(nèi)容加上指令格式中的形式地址 D而形成操作數(shù)的有效地址 。 程序計數(shù)器的內(nèi)容就是當前指令的地址 。 因此 ， 所謂 “ 相對 ” 尋址 ， 就是相對于當前指令地址而言 有效地址 E=（ PC） ＋ D 第四章：指令系統(tǒng) –典型常用的尋址方式 ? 基值尋址：在基值尋址方式中將 CPU中基值寄存器的內(nèi)容 ，加上指令格式中的形式地址而形成操作數(shù)的有效地址 有效地址 E=（基值 R）＋ D ? 變址尋址方式與基值尋址方式計算有效地址的方法很相似，它把 CPU中某個變值寄存器的內(nèi)容與偏移量 D相加來形成操作數(shù)有效地址 有效地址 E=（變址 R）＋ D ? 塊尋址方式：經(jīng)常用在輸入輸出指令中，以實現(xiàn)外存儲器或外圍設(shè)備同內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)塊傳送。塊尋址方式在內(nèi)存中還可用于數(shù)據(jù)塊搬家。 ? 段尋址方式： 微型機中采用段尋址方式 第四章：指令系統(tǒng) –Pentium機的尋址方式 序號 尋址方式名稱 有效地址 說明（ 1 ）（ 2 ）（ 3 ）（ 4 ）（ 5 ）（ 6 ）（ 7 ）（ 8 ）（ 9 ）立即寄存器直接基址基址＋偏移量比例變址＋偏移量基址＋變址＋偏移量基址＋比例變址＋偏移量相對E=DE =(B)E=( B)+ DE=( I ) S+ DE=( B)+(I) + DE=( B)+(I) S +DE=( PC) + D操作數(shù)在指令中操作數(shù)在寄存器內(nèi)第四章：指令系統(tǒng) ? 【 例 】 一種兩地址 RS型指令的結(jié)構(gòu)如下所示 ， 其中 I為間接尋址標志位 ， X為尋址模式字段 ， D為偏移量字段 。 通過 I， X， D的組合 ， 可構(gòu)成下表所示的尋址方式 。 請寫出各種尋址方式的名稱 。 6 位 4 位 1 位 2 位 16 位OP — 通用寄存器 I X 偏移量 D尋址方式 I X 有效地址 E 算法 說明( 1 ) 0 00 E = D( 2 ) 0 01 E = ( P C ) 177。 D PC 為程序計數(shù)器( 3 ) 0 10 E = ( R2) 177。 D R2為變址寄存器( 4 ) 1 11 E = ( R3)( 5 ) 1 00 E = ( D )( 6 ) 0 11 E = ( R1) 177。 D R1為基址寄存器第四章：指令系統(tǒng) ? 解： (1)直接尋址 (2)相對地址 (3)變址尋址 (4)寄存器間接尋址 (5)間接尋址 (6) 第四章：指令系統(tǒng) ? 某 16位機器所使用的指令格式和尋址方式如下所示 ， 該機有兩個 20位基值寄存器 ， 四個 16位變址寄存器 ， 十六個 16位通用寄存器 。 指令匯編格式中的 S(源 )， D(目標 )都是通用寄存器 ， M是主存中的一個單元 。 三種指令