【正文】 據(jù)的。 （2）操作數(shù)的地址。 （4）下一條指令的地址。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），其長度取決于指令系統(tǒng)中的指令條數(shù)。2. 定長操作碼指令格式1）零地址指令OPCODE格式：OPCODE——操作碼指令中只有操作碼，而沒有操作數(shù)或沒有操作數(shù)地址。（2）所需的操作數(shù)是默認的。又如Intel 8086的字符串處理指令，源、目的操作數(shù)分別默認在源變址寄存器SI和目的變址寄存器DI所指定的存儲器單元中。如加1，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)行相應的操作后，產(chǎn)生的結果又存回該地址中。3）二地址指令OPCODEA1A2格式：OPCODE——操作碼 A1——第一個源操作數(shù)的存儲器地址或寄存器地址。這是最常見的指令格式，兩個地址指出兩個源操作數(shù)地址，其中一個還是存放結果的目的地址。4）多地址指令在某些性能較好的大、中型機甚至高檔小型機中，往往設置一些功能很強的，用于處理成批數(shù)據(jù)的指令，如字符串處理指令，向量、矩陣運算指令等。但是，若三地址指令僅需15條，兩地址指令需15條，一地址指令需15條，零地址指令需16條，共61條指令，應如何安排操作碼？顯然，只有4位基本操作碼是不夠的，必須將操作碼的長度向地址碼字段擴展才行。（二） 指令的尋址方式1. 有效地址的概念操作數(shù)的真實地址稱為有效地址，記做EA，它是尋址方式和形式地址共同來決定的。順序?qū)ぶ房梢酝ㄟ^程序計數(shù)器PC加1自動形成下一條指令的地址，跳躍尋址則通過轉(zhuǎn)移類指令實現(xiàn)，是通過對PC的運算得到新的下一條指令的地址。這種方式的特點是取指時，操作碼和一個操作數(shù)同時被取出，不必再次訪問存儲器，提高了指令的執(zhí)行速度。通常用于給某一寄存器或存儲器單元賦初值或提供一個常數(shù)等。3）隱含尋址操作數(shù)的地址隱含在操作碼或者某個寄存器中。5）寄存器尋址計算機的中央處理器一般設置有一定數(shù)量的通用寄存器，用以存放操作數(shù)、操作數(shù)的地址或中間結果。通用寄存器的數(shù)量一般在幾個至幾十個之間，比存儲單元少很多，因此地址碼短，而且從寄存器中存取數(shù)據(jù)比從存儲器中存取快得多，所以這種方式可以縮短指令長度、節(jié)省存儲空間，提高指令的執(zhí)行速度，在計算機中得到廣泛應用。7）基址尋址在計算機中設置一個專用的基址寄存器，或由指令指定一個通用寄存器為基址寄存器。這是幾乎所有計算機都采用的一種尋址方式。 主要用于轉(zhuǎn)移指令，執(zhí)行本條指令后，將轉(zhuǎn)移到（PC）＋disp，（PC）為程序計數(shù)器的內(nèi)容。 2〉位移量可正、可負，通常用補碼表示。在程序與數(shù)據(jù)分區(qū)存放的情況下，不用相對尋址方式來確定操作數(shù)地址。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。（三） CISC和RISC的基本概念1．CISC（復雜指令集計算機）隨著VLSI技術的發(fā)展，計算機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。例如，DEC公司的VAX 11/780計算機有303條指令，18種尋址方式，我們稱這些計算機為復雜指令系統(tǒng)計算機（plex instruction set puter，簡稱CISC）。 2．RISC（簡單指令集計算機）（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。 而占20%的復雜指令，為實現(xiàn)其功能而設計的微程序代碼卻占總代碼的80%。（2）RISC的特點1）優(yōu)先選取使用頻率最高的一些簡單指令；2）指令長度固定；3）只有取數(shù)/存數(shù)指令（load/store）訪問內(nèi)存；4）CPU中的寄存器數(shù)量很多；5）大部分指令在一個或小于一個機器周期完成；6）硬布線控制邏輯為主，不用或少用微碼控制；7）一般用高級語言編程，特別重視編譯優(yōu)化，以減少程序執(zhí)行時間。1987年SUN公司用SPARC芯片構成工作站；目前一些大公司，IBM、DEC、Intel、Motorola以將部分力量轉(zhuǎn)移到RISC方面。CISCRISC指令系統(tǒng)指令數(shù)指令格式指令字長尋址方式可訪問指令各種指令使用頻率各種指令執(zhí)行時間復雜、龐大一般大于200一般大于4一般大于4不固定不加限制相差很大相差很大簡單、精簡一般小于100一般小于4一般小于4固定32位只有LOAD/STORE指令相差不大絕大多數(shù)在一個機器周期完成優(yōu)化編譯實現(xiàn)很難較容易程序源代碼長度較短較長控制邏輯實現(xiàn)方式絕大多數(shù)為微程序控制絕大多數(shù)為硬連線控制五、 中央處理器（CPU）（一） CPU的功能和基本結構CPU主要是由運算器和控制器組成，由于運算器部分在第二部分介紹過，所以本節(jié)主要介紹控制器的組成和工作原理?？刂破鞯淖饔檬强刂瞥绦虻膱?zhí)行，它必須具有以下基本功能：（1）取指令（2）分析指令（3）執(zhí)行指令計算機不斷重復順序執(zhí)行上述三種基本操作：取指、分析、執(zhí)行；再取指、再分析、再執(zhí)行，如此循環(huán)，直到遇到停機指令或外來的干預為止。（5）對異常情況和某些請求的處理當機器出現(xiàn)某些異常情況，諸如算術運算的溢出和數(shù)據(jù)傳送的奇偶錯等；或者某些外來請求，諸如磁盤上的成批數(shù)據(jù)需送存儲器或程序員從鍵盤送入命令等，此時由這些部件或設備發(fā)出： 1）“中斷請求”信號。2．控制器的組成根據(jù)對控制器功能分析，得出控制器的基本組成如下：（1）程序計數(shù)器（PC）即指令地址寄存器。有兩種途徑來形成指令地址，其一是順序執(zhí)行的情況，通過程序計數(shù)器加“1”形成下一條指令地址（如存儲器按字節(jié)編址，而指令長度為4個字節(jié)，則加“4”）。（2）指令寄存器（IR）用以存放當前正在執(zhí)行的指令，以便在指令執(zhí)行過程中，控制完成一條指令的全部功能。（4）數(shù)據(jù)緩沖寄存器（DR）用以暫存讀出或?qū)懭雰?nèi)存的數(shù)據(jù)。在執(zhí)行指令過程中，需要形成有一定時序關系的操作控制信號序列，為此還需要下述組成部分。啟停線路保證可靠地送出或封鎖時鐘脈沖，控制時序信號的發(fā)生或停止，從而啟動機器工作或使之停機。例如，當執(zhí)行加法指令時，若產(chǎn)生運算溢出的異常情況，一般不再執(zhí)行將結果送入目的寄存器（或存儲單元）的操作，而發(fā)出中斷請求信號，轉(zhuǎn)入中斷處理；又如執(zhí)行條件轉(zhuǎn)移指令時，根據(jù)不同的條件產(chǎn)生不同的控制信號，從而進入適當?shù)某绦蚍种?。考慮到所有的器件中（寄存器、存儲器）存儲器的速度最慢，因此，取最慢的器件工作時間（周期）作為整個工作的最長同步標準。每個存儲器工作周期又稱為機器周期。一般最長的操作是訪問存儲器（讀/寫），這個時間也用于訪問外設接口（寄存器）。因此，機器周期是計算時序劃分的最大單位。由于每條指令的功能不一樣，因此執(zhí)行的時間也不同，指令周期長短不一樣。由于取指令必須訪問存儲器，所以占用一個機器周期。一般是在取指周期后期（結束之前的很短時間內(nèi)）就可以完成。因此，可能是一個機器周期到幾個機器周期。指令在IR中一直保留到取下一條指令為止。 執(zhí)行訪問一次存儲器：分配一個機器周期。 根據(jù)每個機器周期完成的任務不同，我們將每個機器周期按照任務命名。2．指令執(zhí)行過程舉例 假設指令格式如下：操作碼rs,rdrs1imm(Disp)rs，rd，rsl為通用寄存器地址；imm（或disp）為立即數(shù)（或位移量）。加法指令完成以下操作：（1）取指周期從存儲器取指令，送入指令寄存器，并進行操作碼譯碼（分析指令）。 控制器發(fā)出的控制信號：PC→AB，W/R=0，M/IO=1；DB→IR；PC＋1。 控制器發(fā)出的控制信號：rsl→GR，（rsl）→ALU，disp→ALU（將rsl的內(nèi)容與disp送ALU）；“+”（加法命令送ALU）；ALU→AR（有效地址送地址寄存器）。 控制器發(fā)出的控制信號：AR→AB，W/R=0，M/IO=1；DB→DR（將地址寄存器內(nèi)容送地址總線，同時發(fā)訪存讀命令，存儲器讀出數(shù)據(jù)送數(shù)據(jù)總線后，打入數(shù)據(jù)寄存器）。 控制器送出的控制信號：rs,rd→GR，（rs）→ALU，DR→ALU（兩個源操作數(shù)送ALU）；ALU→rd（運算結果送寄存器rd）（三） 數(shù)據(jù)通路的功能和基本結構CPU的數(shù)據(jù)通路是連接CPU內(nèi)部各個部件以及和CPU外部個部件之間的數(shù)據(jù)和控制信號的連接關系圖，數(shù)據(jù)通路的基本結構如下圖所示。 “時序控制信號形成部件”是由硬邏輯布線完成的。（1）時序與節(jié)拍每一步由一個機器周期來完成，假設采用4個機器周期，總之，需要4個不同的信號輸出，代表4個不同的周期。對于不同的指令，采用不同的代碼表示。將所有的機器周期的操作控制信號的邏輯表達式全部寫出來，就會得到各個操作控制信號的所有表達式，再將這些表達式安每個操作控制信號組合起來，就得到某個操作控制信號的表達式。T1 ；存儲器地質(zhì)有效 M/IO=cy1 ；存儲器操作 W/R=cy1 ；讀操作 DB→IR=cy1 ；將讀出的結果送IR PC+1=cy1 ；將程序計數(shù)器加1計算地址周期cy2需要完成有效地址（(rs1)+Disp）的計算。cy2 ；送通用寄存器地址 (rs1)→ALU=加法指令cy2 ；偏移量送ALU “+”=加法指令cy2 ；運算結果送地址總線例如，“+”操作控制信號在加法指令的cy2（計算有效地址）和cy4（操作數(shù)相加）時需要；減法指令的cy2（計算有效地址）時需要；轉(zhuǎn)移指令的cy2（計算有效地址）時需要；…。（cy2+cy4）+減法指令cy2+… 設機器有7位操作碼（OP0～OP6），假設加法指令的操作碼為0001100，形成的加法指令信號的邏輯表達式為： 加法指令= OP0OP1OP2OP3OP4OP5OP6如，某機器128條指令，用7位操作碼（OP0～OP6），如果其中有16條算術邏輯運算指令，可以將這些指令的3位操作碼都設計相同的編碼，如OP0OP1OP2= 001，而其他位OP3～OP6編碼表示16個不同的指令。cy2+減法指令cy2+… =（加法指令cy2 = OP0OP22. 微程序控制器（1）微程序、微指令和微命令在計算機中，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，這些基本操作稱為微操作。實現(xiàn)這些微操作的控制命令就是微命令。 W/R=0。PC→AB等就是微命令。將一條指令分成若干條微指令，按次序執(zhí)行這些微指令，就可以實現(xiàn)指令的功能。微程序：計算機的程序由指令序列構成，而計算機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）字段直接編譯法在計算機中的各個控制門，在任一微周期內(nèi)，不可能同時被打開，而且大部分是關閉的（相應的控制位為“0”）。如果有若干個（一組）微命令，在每次選擇使用它們的微周期內(nèi)，只有一個微命令起作用，那么這若干個微命令是互斥的。3）字段間接編譯法字段間接編譯法是在字段直接編譯法的基礎上，進一步縮短微指令字長的一種編譯法。 （3）微地址的形成方式1）微程序入口地址的形成1一級轉(zhuǎn)移方式 當操作碼的位數(shù)與位置固定時，可直接使操作碼與入口地址的部分位對應。2）微程序后繼地址的形成1以增量方式產(chǎn)生后繼微地址。2增量與下址字段結合產(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，當微程序?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)移時，將BAF送181。PC＋1）。方法是：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。 這樣只需在上一指令的第一子過程處理完畢進入第二子過程處理時，在第一子部件中就開始對第二條指令的第一子過程進行處理。指令六級流水時序（2）影響流水線性能的因素在流水線中會出現(xiàn)三種相關，影響流水線的暢通流動，這三種相關是結構相關、數(shù)據(jù)相關和控制相關。數(shù)據(jù)相關是指令在流水線中重疊執(zhí)行時，當后繼指令需要用到前面指令的執(zhí)行結果時發(fā)生的。（3）流水線性能流水線的性能通常用吞吐率、加速比和效率3項指標來衡量。2）加速比 流水線的加速比是指m段流水線的速度與等功能的非流水線的速度之比。2. 超標量和動態(tài)流水線的基本概念(1) 超標量在超標量的處理器結構中，整數(shù)和浮點數(shù)運算、裝入、存儲以及條件轉(zhuǎn)移等普通操作指令可以同時啟動并獨立執(zhí)行。(2) 動態(tài)流水線流水線按功能可分成單功能流水線和多功能流水線兩種。如浮點加法或乘法流水線。流水線按工作方式可分為靜態(tài)流水線和動態(tài)流水線兩種。它可以是單功能的，也可以是多功能的。顯然，不希望這種功能的轉(zhuǎn)換頻繁的發(fā)生，否則將嚴重影響流水線的處理效率。顯然，動態(tài)流水線必是多功能流水線，而單功能流水線則必是靜態(tài)的。2. 總線的分類（1）片內(nèi)總線芯片內(nèi)部的總線（2）系統(tǒng)總線計算機各部件之間的信息傳輸線，主要有：數(shù)據(jù)總線：雙向 與機器字長、存儲字長有關地址總線：單向 與存儲地址、 I/O地址有關控制總線：部分出部分入 控制器控制所有部件（3）通信總線用于計算機系統(tǒng)之間或計算機系統(tǒng)，與其他系統(tǒng)（如控制儀表、移動通信等）之間的通信。單總線結構是將CPU、主存、I/O設備（通過I/O接口）都掛在一組總線上?？偩€的性能指標：（1）總線寬度：數(shù)據(jù)總線的根數(shù)（2）總線帶寬：數(shù)據(jù)傳輸率（3）時鐘同步/異步：總線上的數(shù)據(jù)與時鐘同步的稱為同步總線，與時鐘不同步的稱為異步總線（4）總線復用：一條信號線上分時傳送兩種信號。（6）總線控制方式：包括突發(fā)工作、自動配置、總裁方式、邏輯方式、技術方式等。（二） 總線仲裁