計算機組成原理知識點總結（第3篇 第7章 指令系統 第8章 CPU的結構和功能）

基於計算機組成原理（第2版）唐朔飛編著

第7章 指令系統

全部機器指令的集合稱爲機器的指令系統

指令由操作碼和地址碼兩部分組成

操作碼的長度可以是固定的，也可以是變化的。通常採用擴展操作碼技術，使操作碼的長度隨地址數的減少而增加，不同地址數的指令可以具有不同長度的操作碼，從而在滿足需要的前提下，有效的縮短指令字長。

地址碼：
（1）四地址指令

其中OP爲操作碼；A1爲第一操作數地址；A2爲第二操作數地址；A3爲結果地址；A4爲下一條指令的地址。

（2）三地址指令

（3）二地址指令

（4）一地址指令

（5）零地址指令

指令字長取決於操作碼的長度、操作數地址的長度和操作數地址的個數。

機器中常見的操作數類型有地址、數字、字符、邏輯數據等。

通常計算機中的數據存放在存儲器或寄存器中，而寄存器的位數便可反映機器字長。一般機器字長取字節的1、2、4、8倍，便於字符處理。

操作類型：

• 數據傳送
• 算術邏輯操作
• 移位
• 轉移
• 輸入輸出
• 其它

尋址方式

尋址方式分爲指令尋址和數據尋址兩大類

指令尋址分爲順序尋址和跳躍尋址

數據尋址：

1. 立即尋址
   

2. 直接尋址
   EA=A
   

3. 隱含尋址
   

4. 間接尋址
   EA=(A)
   

5. 寄存器尋址
   EA=Ri
   
   其操作數在由Ri所指的寄存器內。由於操作數不在主存中，故寄存器尋址在指令執行階段無須訪存，減少了執行時間。由於地址字段只需指明寄存器編號（計算機中寄存器數有限），故指令字較短，節省了存儲空間。因此在計算機中得到廣泛應用。

6. 寄存器間接尋址
   EA=(Ri)
   

7. 基址尋址
   EA=A+(BR)
   

8. 變址尋址
   EA=A+(IX)
   

9. 相對尋址
   EA=(PC)+A
   

10. 堆棧尋址
    
    
    
    

RISC 精簡指令集計算機
CISC 複雜指令集計算機

第8章 CPU的結構和功能

CPU實質包括運算器和控制器兩大部分

控制器的基本功能爲：取指令、分析指令、執行指令

CPU必須具有控制程序的順序執行（指令控制），產生完成每條指令所需的控制命令（操作控制），對各種操作加以時間上的控制（時間控制），對數據進行算術運算和邏輯運算（數據加工）以及處理中斷等功能。

CPU中寄存器大之可分兩類，一類屬於用戶可見寄存器，用戶可對這類寄存器編程，以及通過優化使CPU因使用這類寄存器而減少對主存的訪問次數；另一類屬於控制和狀態寄存器，用戶不可對這類寄存器編程。

• 用戶可見的寄存器：
  （1）通用寄存器
  （2）數據寄存器
  （3）地址寄存器
  （4）條件碼寄存器
• 控制和狀態寄存器
  ①MAR：存儲器地址寄存器
  ②MDR：存儲器數據寄存器
  ③PC：程序計數器，存放現行指令的地址
  ④IR：指令寄存器，存放當前欲執行的指令

控制單元CU是提供完成計算機全部指令操作的微操作命令序列部件。

CPU每取出並執行一條指令所需的全部時間稱爲指令週期。

五級流水線：取指（IF）、譯碼（ID）、執行（EX）、訪存（MEM）、寫回（WB）

相關：

• 結構相關
  指令在重疊執行的過程中，不同指令爭用同一功能部件產生資源衝突
• 數據相關
  流水線中的各條指令因重疊操作，可能改變對操作數的讀寫的訪問順序
  數據相關衝突可分爲寫後讀相關、讀後寫相關和寫後寫相關
• 控制相關
  控制相關主要由轉移指令引起。

流水線
性能通常用吞吐率、加速比和效率3項指標來衡量。

• 吞吐率
  最大吞吐率：$T_pmax=\frac{1}{△t}$
  實際吞吐率：$T_p=\frac{T_pmax}{1+(m-1)/n}$
  僅當n>>m時，纔會有$T_p$≈$T_pmax$
• 加速比
  $S_p=\frac{m}{1+(m-1)/n}$
  當流水線各段時間相等時，其最大加速比等於流水線的段數
• 效率
  $E=\frac{S_p}{m}=T_p△t$
  

中斷

引起中斷的各種因素：

1. 人爲設置的中斷
2. 程序性事故
3. 硬件故障
4. I/O設備
5. 外部事件

中斷服務程序入口地址的尋找：硬件向量法和軟件查詢法

中斷隱指令：
CPU響應中斷後即進入中斷週期。在中斷週期內，CPU要自動完成一系列操作：
（1）保護程序斷點
（2）尋找中斷服務程序的入口地址
（3）關中斷
上述操作都是在中斷週期內由一條中斷隱指令完成的。所謂中斷隱指令，即在機器指令系統中沒有的指令，它是CPU在中斷週期內由硬件自動完成的一條指令。