计算机组成原理【3】

一、指令系统

机器的指令系统决定了一台计算机的功能，而一台计算机的指令系统确定以后，必须要有相应的硬件支持。

1.机器指令

机器指令包括操作码和地址码，其实由0、1代码组成，指令的一般格式为先操作码字段载地址码字段。

^操作码的字段的目的:指明该指令要完成的操作，这个操作码字段有多少位，表明要完成多少个操作。

 操作码的长度可以是固定的，也可是变化的。有一种技术叫做扩展操作码技术，这种技术可以让操作码的长度随着地址数的减少而增加，从而不会让指令地译码和分析增加难度，  因为固定的操作码长度会很难译码和分析控制器的设计也会复杂化。

^地址码的目的：支出指令的源操作码的地址、结果的地址以及下一条指令的地址。

  这个地址可以是任何一个地址，比如主机、I/O设备等等。

  指令的地址码字段经历了四地址、三地址、二地址、一地址和零地址这几个阶段。零地址即OP，一地址即OP+A1，二地址即OP+A2+A3……以此类推。需要注意的一点，用         PC、ACC这种硬件代替指令字中的某些地址字段，还可以缩短指令字长，并且减少访存次数。

机器中常见的操作数类型：地址、数字、字符、逻辑数据等。其中字符一般采用ASCII码值。

2.寻址方式

寻址方式主要分为指令寻址和数据寻址。其中，指令寻址分为顺序寻址和跳跃寻址，数据寻址方式的种类就比较多了。介绍一下带有寻址地址的一地址指令格式，先是操作码再寻址特征最后形式地址A。寻址特征是指明寻址的方式，形式地址是为了区分有效地址，指令字的地址码字段并不代表操作数的真实地址，操作数的真实地址被叫做有效地址。

（1）立即寻址

         OP+#+A

（2）直接寻址

（3）隐含寻址

         在隐含寻址中，操作数隐藏在操作码中。在指令字中少了一个地址字段，可缩短指令字长。

（4）间接寻址

         有效地址EA由形式地址A间接提供。

（5）寄存器寻址

         寄存器寻址最大的特点是，执行速度快，并且节省很大的存储空间。

（6)寄存器间接寻址

（7）基址寻址

（8）变址寻址

（9）相对寻址

         相对寻址EA=（PC）+A，A是相对于当前指令地址的位移量，可正可负，用补码表示。

（10）堆栈寻址

3.RISC技术

（1）定义：计算机的功能越来越强，其指令系统和硬件结构也越来越复杂，这种就叫做复杂指令系统计算机CISC。RSCI技术就是用20%的简单指令组合起来，去实现那些80%不常用指令。

（2）RSCI的主要特点

1>选取使用频率较高的一些简单指令，复杂指令的功能由简单指令的组合来实现。

2>指令长度固定，指令格式种类少，寻址方式种类少。

3>只要LOAD/STORE指令访存，其余指令的操作都在寄存器之间进行。

4>CPU中有多个通用寄存器。

5>控制器采用组合逻辑控制。

6>采用流水技术，大部分指令在一个时钟周期完成。

7>采用优化的编译程序。

二.CPU的结构和功能

CPU包括控制器和运算器，它的功能有指令控制、操作控制、时间控制、数据加工、中断处理。CPU由ALU（算术逻辑运算部件）、寄存器、中断系统、CU（控制单元）构成。其中寄存器（存放操作数）和算术逻辑运算部件ALU是为了完成算术运算和逻辑运算，CU是根据指令译码在规定时间内发出各种操作命令。

1.指令周期

需要注意的是由于各种指令操作不同，因此各种指令的指令周期是不同的。指令周期一般是指CPU取出并执行一条指令所需的全部时间。在无条件转移指令、加法指令和乘法指令中，他们的取指令时间相同，其中，他们的指令周期：乘法指令>加法指令>无条件转移指令。一般情况下来说，一个完整的指令周期应包括取指、间指、执行和中断四个子周期。指令周期的流程一般是，取指周期，是否有间址，是就间址周期，否就执行周期，在判断是否有中断，否就继续，是就中断周期。

2.指令流水

指令流水就是改变各条指令按顺序串行执行的规则。让机器的执行周期和指令的取址周期同时进行，就是机器在执行指令1的同时，取出指令2。

3.流水线性能

流水线性能通常用吞吐率、加速比和效率三项指标来衡量。

· 吞吐率是指在指令流水线中，单位时间内流水线所完成指令或输出结果的数量。

  最大吞吐率：T（pmax）=1/t

  实际吞吐率：Tp=n/mt+(n+1)t

·加速比是指m段流水线的速度与等功能的非流水线的速度之比。

S（p）=nmt/mt+（n-1）t=nm/m+n-1

·效率是指流水线中各功能段的利用率

E=S（p）/m

4.中断系统

在中断系统中需配置相应的硬件和软件，统称中断技术。

中断系统中的各种软、硬件技术

（1）设置中断请求标记

（2）设置中断判优逻辑

         中断系统在任意时候只能响应一个中断源的请求，由于许多中断源提出中断请求的时间都是随机的，因此当多个中断源提出中断请求的时间都是随机的，因此当多个中断源同          事提出请求时，需通过中断判优逻辑确定响应哪个中断源的请求。中断判优可以用硬件实现，也可以用软件实现。

（3）CPU响应中断的条件和时间

（4）保护现场

（5）中断服务程序入口地址的寻找

（6）恢复现场和中断返回

（7）中断屏蔽技术