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计算机组成原理 学习笔记I
计算机组成原理 学习笔记II

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第四章 指令系统

4.1 指令系统

4.1.1 指令格式

• 指令的定义
  • 指令，又称机器指令，是计算机运行的最小功能单位
  • 一台计算机的所有指令的集合构成该机的指令系统，又称指令集
  • 不能执行其他指令系统的指令——x86架构、ARM架构
• 指令格式
  • (一条指令)指令=操作码(OP)字段+地址码(A)字段(可能有多个)
• 🌟指令的分类
  • 按地址码数目分类
    • 零地址指令
      • 零地址(指令)的运算类指令又称堆栈运算类指令，两个操作数隐含在栈顶和次栈顶
      • ⚠️堆栈指令的访存次数
    • 一地址指令
    • 二、三地址指令
    • 四地址指令
  • 按指令字长分类
    • 定长指令字结构
      • 半字长指令
      • 单字长指令
      • 双字长指令
    • 变长指令字结构
  • 按操作码长度分类
    • 定长操作码
    • 可变长操作码(不定长操作码)
      • 定长指令字结构+可变长操作码->扩展操作码指令格式
  • 按操作类型分类
    • 数据传送类：进行主存与CPU之间的数据传送
      • LOAD
        • 作用：用指令将数据从主存读到某寄存器中
      • STORE
        • 作用：用指令将数据从某寄存器中写入主存
    • 运算类
      • 算术逻辑操作
        • 算术
        • 逻辑
      • 移位操作
        • 算数移位
        • 逻辑移位
        • 循环移位(带进位和不带进位)
    • 程序控制类：改变程序执行的顺序
      • 转移操作
        • 无条件转移 JMP
        • 条件转移
          • JZ：结果为0
          • JO：结果溢出
          • JC：结果有进位
        • 调用和返回 CALL和RETURN
        • 陷阱(Trap)与陷阱指令
        • 循环指令
    • 输入输出类(I/O)：进行CPU和I/O设备之间的数据传送
      • 输入输出操作
        • CPU寄存器与IO端口之间的数据传送(端口即IO接口中的寄存器)

4.1.2 扩展操作码指令格式

定长指令字结构+可变长操作码->扩展操作码指令格式(不同地址数的指令使用不同长度的操作码)

• 扩展操作码
  • 举例1——指令字长为16位，每个地址码占4位
  • 举例2
• 指令(的)操作码
  • 操作码分类
    • 定长操作码
    • 扩展操作码(不定长操作码)

4.2 指令的寻址方式

4.2_1 指令寻址

⚠️每一条指令的执行都分为“取指令”、“执行指令”两个阶段

• 指令寻址
  • 确定下一条要执行的指令的存放地址
  • 由程序计数器PC指明
• 指令寻址的分类
  • 顺序寻址
    • (PC) + ‘‘1’’ ——> PC
    • 此处的"1"要理解为1个指令字长
    • 每次取指令结束后，一定会PC+“1”
  • 跳跃寻址
    • 执行转移类指令导致的PC值改变

4.2_2 数据寻址

|操作码(OP) | 地址码(A)|

• 按寻址方式的不同
  • 指令寻址
    下一条欲执行指令的指令地址
    始终由程序计数器PC给出
    • 顺序寻址
    • 跳跃寻址
  • 数据寻址
    • 分类(10种)
      • 隐含寻址(0000)
      • 立即寻址(0001)
      • 直接寻址(0010)
      • 间接寻址(0011)
      • 寄存器寻址(0100)
      • 寄存器间接寻址(0101)
      • 相对寻址(0110)
      • 基址寻址(0111)
      • 变址寻址(1000)
      • 堆栈寻址(1001)
    • 地址码拓展
      • 一地址指令
        • |操作码(OP)|寻址特征|形式地址(A)|
        • 求出操作数的真实地址，称为有效地址(EA)
      • 二地址指令
        • |操作码(OP)|寻址地址|形式地址($A_1$)|寻址地址|形式地址($A_2$)|
    • 直接寻址
    • 间接寻址
      • 一次间址
      • 两次间址
    • 寄存器寻址(不访问主存，只访问寄存器)
    • 寄存器间接寻址(比一般间接寻址快)
    • 隐含寻址(指令中隐含着操作数的地址)
    • 立即寻址(指令执行时间最短)
      • 形式地址A就是操作数本身，又称为立即数(如汇编语言中，LOAD # 985，#表示立即寻址特征)，一般采用补码形式
        

4.3 程序的机器级代码表示

4.3.1 高级语言与机器级代码之间的对应

4.3.2 常用的x86汇编指令

4.3.3 AT&T格式和Inter格式

4.4 CISC 和 RISC 的基本表示

CISC:Complex Instruction Set Computer
RISC:Reduced Instruction Set Computer

第5章 中央处理器

5.1 CPU的功能和基本结构

用户不可见的寄存器：MAR、MDR、IR、暂存寄存器

• CPU的功能
  • 指令控制、操作控制、时间控制、数据加工、中断处理
• 运算器的功能
  • 对数据进行加工
• 控制器的功能
  • 取指令、分析指令、执行指令
• 运算器的基本结构
  • 算术逻辑单元ALU
  • 暂存寄存器
  • 通用寄存器组
  • 累加寄存器ACC
  • 程序状态字寄存器PSW
  • 移位器、计数器
• 数据通路的基本结构
  管理多条通路：多路选择器MUX与三态门
  • 专用通路
  • 内部总线
• 控制器的基本结构
  • 程序计数器PC
  • 指令寄存器IR
  • 指令译码器、时序系统、微操作信号发生器
  • 存储器地址寄存器MAR
  • 存储器数据寄存器MDR

5.2 指令执行过程

• 指令周期
  • 机器周期/CPU周期——CPU时钟周期/节拍
  • 取指周期、间址周期、执行周期、中断周期
  • 标志触发器FE、IND、EX、INT
• 数据流
  • 取指周期：取指令——根据PC中的内容取出指令代码并存放在IR中
  • 间址周期：取操作数有效地址EA——根据IR中指令地址码操作数有效地址
  • 执行周期：取操作数——根据指令字的操作码和操作数进行相应的操作
  • 中断周期：处理中断请求，保存程序断点，送中断向量
• 执行方案
  • 单指令周期：所有指令选用相同的执行时间，指令间串行
  • 多指令周期：不同类型指令选用不同的执行步骤，指令间串行
  • 流水线方案：隔一段时间启动一条指令，多条指令处于不同阶段，同时运行

5.3 数据通路的功能和基本结构

5.3.1 数据通路-单总线结构

ALU需要配合暂存器使用

• 数据通路
  • 定义：数据在功能部件之间传送的路径
  • 基本结构：
    • CPU内部单总线方式
    • CPU内部多总线方式
    • 专用数据通路方式
• 内部总线：指同一部件，如CPU内部连接各寄存器及运算部件之间的总线
• 系统总线：指同一计算机系统的各部件，如CPU、内存、通道和各类I/O接口间互相连接的总线

5.3.2 数据通路-专用通路结构

多路选择器MUX与三态门
见PPT例题

5.4 控制器的功能和工作原理

• 硬布线控制器(计组TOP3难度 但并非重点)
• 微程序控制器(考试重点，且有概率出大题)
  • 控制单元CU的结构
    • 微地址形成部件
      • 微地址即微指令在CM中的存放地址
      • 通过指令操作码形成对应微程序的第一条微指令的存放地址
    • 顺序逻辑
      • 根据某些机器标志和时序信息确定下一条微指令的存放地址
    • CMAR(µIR)
      • 指明将要执行的下一条微指令(在主存中)的存放地址
    • 地址译码器
      • 将CMAR内的地址信息译码为电信号，控制CM读出微指令
    • 控制存储器(控存)CM
      • 存放所有机器指令对应的微程序（微指令序列）
      • 集成在CU内部，用ROM实现，按地址寻访
      • 通常在CPU出厂时就将所有微程序写入
    • CMDR(µIR)
      • 微指令寄存器，用于存放当前正在执行的微指令
      • CM(µPC)——>µIR
  • 工作原理
    • 指令周期=取指周期——>间址周期——>执行周期——>中断周期
      其中间址、中断周期可有可无
    • 处理取指、间址、中断周期的微指令序列通常是公用的(指令相同)
      指令周期的微指令序列各不相同
    • 取指周期的微指令序列固定从#0开始存放
      执行周期的微指令序列的存放根据指令操作码确定
  • 概念对比
    • 微命令、微操作、微指令、微程序之间的关系
      1个指令对应1个微程序
    • 指令周期：从主存取出并执行一条机器指令所需的时间
    • 微周期(微指令周期)：从控制器存储器取出一条微指令并执行相应微操作所需的时间
• 微指令的设计
  • 微指令格式
    • 水平型微指令
    • 垂直型微指令
    • 混合型微指令
  • 水平型微指令的编码方式
    • 🌟直接编码(直接控制)
      • 控制码的每个bit对应一个微命令，微指令执行速度更快
    • 🌟字段直接编码
      • 将互斥性的微命令分在同一个段内，相容的分在不同的段
      • 每个段留出一个状态表示“不操作”
      • 微指令操作码需要经过译码电路
    • 字段间接编码
  • 下一条微指令地址的形成方式
    • 🌟断定法(下地址法)
    • 🌟计数器法
    • 根据指令操作码确定执行周期微程序首地址
    • 由专门的硬件指明取指/中断周期的微程序首地址

5.5 异常和中断处理(详见OS)

5.6 指令流水线

• 基本概念
  • 指令执行过程划分为不同阶段，占用不同的资源，就能使多条指令同时执行
  • 表示方法
    • 指令流程图：主要用于分析影响流水线的因素
    • 时空图：主要用于分析流水线的性能
• 性能指标
  • 吞吐率TP
  • 加速比S
  • 效率E
• 影响因素
  • 结构相关(资源冲突)
    多条指令争用同一资源
    解决方法：
    • 暂停相关指令
    • 资源重复配置
  • 🌟数据相关(数据冲突)
    后续指令需要用到之前指令的执行结果
    解决方法：
    • 暂停相关指令
      • 硬件阻塞(stall)——根据指令流程图分析耗时
      • 软件插入"NOP"
    • 数据旁路技术
    • 编译优化，调整指令顺序
  • 控制相关(控制冲突)
    遇到转移指令和其他改变PC值的指令时发生
    解决方法：
    • 分支预测
    • 预取两个方向的指令
    • 加快和提前形成条件码
    • 提高转移方向的猜准率
• 分类
  • 按使用级别：部件功能级、处理机级、处理机间
  • 按完成功能：单功能、多功能
  • 按连接方式：动态、静态
  • 按有无反馈信号：线性、非线性
• 多发技术
  • 超标量流水线技术
  • 超流水线技术
  • 超长指令字技术

5.7 多处理器的基本概念

5.7.1 SISD、SIMD、MIMD向量处理器的基本概念

• SISD单指令流单数据流
• SIMD单指令流多数据流
• MISD多指令流单数据流
• MIMD多指令流多数据流
• 向量处理器(SIMD思想的进阶应用)

5.7.2 共享内存多处理器(Shared Memory multiProcessor, SMP) 的基本概念

多处理器系统(简称)

5.7.3 多核处理器(multicore)的基本概念

和共享内存多处理器是同一个东西，命名角度不同

第6章 总线

6.1 总线概述

• 总线概念与分类
• 总线的性能指标
  • 总线的传输周期(总线周期)
  • 总线时钟周期
  • 总线的工作频率
  • 总线的时钟频率
  • 总线宽度
  • 总线带宽
  • 总线复用
  • 信号线数

6.2 总线操作(事务)和定时

• 总线传输的四个阶段
  • 申请分配阶段
  • 寻址阶段
  • 传输阶段
  • 结束阶段
• 定时
  • 同步定时方式(同步通信)
  • 异步定时方式(异步通信)——不互锁、半互锁、全互锁
  • 半同步通信
  • 分离式通信

6.3 总线仲裁与总线标准(408不考)

第7章 输入/输出系统

7.1 I/O 系统的基本概念

• 基本概念
  • IO硬件
    输入设备、输出设备、 外存设备、I/O接口(I/O控制器)
  • IO软件
    • IO指令
      CPU执行的指令，用于控制IO接口或控制通道
    • 通道指令
      通道执行的指令，与CPU机器指令不是一套东西
• I/O控制方式
  • 程序查询方式
    CPU“忙等”慢速设备完成工作，二者串行工作
  • 程序中断方式
    设备准备数据时，CPU继续工作，设备准备好之后向CPU发出中断请求，CPU在指令周期的末位检查中断并作出中断响应(执行中断处理程序)
  • DMA方式
    主存与IO交换信息时由DMA控制器控制，传输完一整块数据才需要中断
  • 通道方式
    通过IO指令启动通道，通道执行通道指令序列，通道程序放在主存中

7.2 I/O 接口

• 作用与结构
  作用：
  结构：

  • 数据缓冲寄存器(DBR)
  • 状态/控制寄存器
  • 串-并转换机构
  • I/O控制逻辑
  • 地址译码逻辑

• I/O端口
  

  • 指IO控制器(接口电路)中可被CPU直接访问的寄存器
  • 统一编制：IO端口和主存地址空间统一，用访存指令访问IO端口
  • 独立编制：IO端口地址与主存地址相互独立，用IO指令访问IO端口

• 分类

  • 按数据传送方式
    • 并行接口
    • 串行接口
  • 按主机访问I/O设备的控制方式
    • 程序查询接口
    • 中断接口
    • DMA接口
  • 按功能选择的灵活性
    • 可编程接口
    • 不可编程接口

7.3 I/O 方式🌟

7.3.1 程序查询方式

7.3.2 程序中断方式

• 程序中断方式
  • 中断系统

    • 中断的基本概念

    • 工作流程

      • 中断请求
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        • 分类
          • 内中断(又称异常、例外、陷入)
            • 自愿中断——指令中断
            • 强迫中断
              • 硬件故障
              • 软件中断
          • 外中断(中断)
            • 外设请求
            • 人工干预
        • 中断请求标记触发器INTR
      • 中断响应
        • 响应中断的条件
        • 中断判优
          • 软件：查询程序
          • 硬件：排队器
          • 优先级的设置
      • 中断处理
        • 中断隐指令
          • 关中断
          • 保存断点(PC)
          • 引出中断服务程序
            • 软件查询法
            • 硬件向量法——中断向量
        • 中断服务程序

    • 单重中断与多重中断
      

      • 中断服务程序的具体步骤
      • 中断屏蔽技术
        • 屏蔽字
        • 程序执行轨迹
  • 程序中断方式
    • 工作流程
    • CPU占用情况
      • 中断响应(隐指令)
      • 中断服务程序

7.3.3 DMA方式🌟🌟🌟

• DMA控制器
  • 主要功能
    • 传送前：接收外设的DMA请求，向CPU发出总线请求；接管总线控制权
    • 传送时：管理总线，控制数据传送；确定主存单元地址及长度，能自动修改对应参数
    • 传送后：向CPU报告DMA操作的结束
  • 组成
    • 主存地址计数器：存放要交换数据的主存地址
    • 传送长度计数器：记录传送数据的长度
    • 数据缓冲寄存器：暂存每次传送的数据
    • DMA请求触发器：设置准备好数据后将其置位
    • 控制/状态逻辑：由控制和时许电路及状态标志组成
    • 中断机构：数据传送完毕后触发中断机构，提出中断请求
• 传送过程
  • 预处理：CPU完成寄存器初值设置等准备工作
  • 数据传送：CPU继续执行主程序，DMA控制器完成数据传送
  • 后处理：CPU执行中断服务程序做DMA结束处理
• 传送方式
  • 停止CPU访存：需要数据传送时，停止CPU访存，总线控制权交给DMA控制器
  • 交替访存：将CPU周期分为DMA访存和CPU访存两个部分
  • 周期挪用(周期窃取)：I/O设备需要访存时，挪用一个或几个存取周期
• 特点
• 与中断方式的区别
• CPU占用情况