组成原理03

PS ：

这是很久之前写的笔记了（就是有道课是学的。。。），可能是照着打下来的，但是不甘就放到草稿里，还是发出来吧。。。

知识点7： 指令格式与寻址

指令（又称机器指令）是指示计算机执行某种操作的命令，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，也称为指令集。
指令系统是计算机的主要属性，位于硬件和软件的交界面上。

指令的基本格式：
一条指令就是机器语言的一个语句，它是一组有意义的二进制代码。
一条指令通常要包括 操作码字段 和 地址码地段 两部分
操作码 指出 指令中该指令应该执行什么性质的操作 和 具有何种功能（逻辑运算、算数运算…）
地址码 用于 给出被操作的信息（指令或数据）的地址

指令的长度 是指 一条指令中所包含的 二进制代码的位数
指令字长 取决于 操作码的长度、操作数地址码的长度和操作数地址的个数
指令长度 等于 机器字长的 指令 称为 单字长指令
指令长度 等于 半个机器字长 的 指令 称为 半字长指令
指令长度 等于 两个机器字长 的 指令 称为 双字长指令
若所有指令的长度都是相等的， 称为 定长指令字结构
各种指令的长度随指令功能而异，就称为 变长指令字结构

根据指令中的操作数地址码的数目的不同，指令分为以下几种：
1.零地址指令： 只给出操作码OP，这种指令有两种可能
1） 不需要操作数的指令，如空操作指令、停机指令、关中断指令等
2） 零地址的运算类指令仅用在堆栈计算机中。
通常参与运算的两个操作数隐含地从栈顶和次栈顶弹出，送到运算器进行运算，运算结果在隐含地压入堆栈中。

2.一地址指令： 常见的有2中形态，根据操作码含义确定
1） 只有目的操作数的单操作数指令，按（A1）地址读取操作数，进行（OP）操作后，结果存回原地址。
指令含义： OP（A1） -> A1
2) 隐含约定目的地址的双操作数指令，按指令地址A1可读取 源操作数，指令可隐含约定另一个操作数由ACC（累加器）提供，运算结果也将存放在ACC中
指令含义： （ACC）OP（A1） -> ACC
若 指令字长为32位，操作码占8位，1个地址码字段占24位，
则 指令操作数的直接寻址范围为 2的24方 = 16M

3.二地址指令： 对于常用的算术和逻辑运算指令，往往要求使用2个操作数，需分别给出目的操作数和源操作数的地址，其中目的操作数地址还用于保存本次运算的结果
指令含义： （A1）OP（A2） -> A1
若 指令字长为32位，操作码占8位，2个地址码段各占12位，
则 指令操作数的直接寻址范围为 2的12次方 = 4K

4.三地址指令： OP A1 A2 A3（结果）
指令含义： （A1）OP（A2） -> A3
若 指令字长为32位，操作码占8位，3个地址码字段各占8位
则 指令操作数的直接寻址范围为 2的8次方 = 256
若地址字段均为主存地址，则完成一条三地址需要4次访问存储器（取指令1次，取两个操作数2次，存放结果1次）

5.四地址指令： OP A1 A2 A3（结果） A4（下址）
指令含义： （A1）OP（A2） -> A3， A4 = 下一条将要执行的指令的地址
若 指令字长为32位，操作码占8位，4个地址码字段占6位，
则 指令操作数的直接寻址范围为 2的6次方 = 64

定长操作码指令是在指令字的最高位部分分配固定的若干位（定长）表示操作码。
一般n位操作码字段的指令系统最大能够表示 2的n次方 条指令
定长操作码对于简化计算机硬件设计，提高指令译码和识别速度很有利

可变长度操作码，即全部 指令的操作码字段 的位数不固定，且分散地放在指令字的不同位置上。
可变长操作码方法 是扩展操作码，使操作码的长度随地址码的减少而增加
在设计扩展操作码指令格式时，必须注意一下两点：
1）不允许短码 是 长码 的前缀， 即 短操作码 不能与 长操作码 的前面部分的代码相同 （特别注意…）
2）各指令的操作码一定不能重复。
对使用频率较高的指令，分配较短的操作码
对使用频率较低的指令，分配较长的操作码

寻址方式 是指寻找指令或操作数有效地址的方式，也就是指确定本条指令的数据地址，以及下一条将要执行的指令地址的方法。
寻址方式 分为 指令寻址 和 数据寻址 两大类：
寻找下一条将要执行的指令地址 称为 指令寻址
寻找操作数的地址 称为 数据寻址
指令中的地址码字段并不代表操作数的真实地址，称为形式地址（A）。 用形式地址 并结合 寻址方式，可以计算出操作数在存储器中的真实地址，称为有效地址（EA）
（A）表示地址为A的数值，A既可以是 寄存器编号 也可以是 内存地址

指令寻址：
指令寻址有2中： 顺序寻址方式、跳跃寻址方式
1） 顺序寻址方式可通过程序计数器PC加1，自动形成下一条指令的地址
2） 跳跃寻址则通过 转移类指令实现
所谓跳跃，是指下一条指令的地址码不是由程序计数器默认产生，而是由本条指令给出下条指令地址的计算方式，跳跃的结果是当前指令修改PC值，所以下一条指令仍然是通过程序计数器PC给出。

数据寻址：
数据寻址就是如何在指令中表示一个操作数的地址，如何用这种表示得到操作数 或 怎样计算出操作数的地址。
数据寻址方式的种类较多，为了区别各种方式，通常在指令字中设一个字段（寻址特征），用来指明属于哪种寻址方式。
操作码 寻址特征 形式地址A
数据寻址的分类：
1.隐含寻址;
这种类型的指令，在指令中隐含着操作数的地址
单地址的指令格式，规定累加器ACC作为第二操作数地址
隐含寻址的优点是有利于缩短指令字长；
缺点是需要增加存储操作数或隐含地址的硬件（比如ACC嘛…）。

2.立即（数）寻址;
这种类型的指令的地址字段指出的不是操作数的地址，而是操作数本身，又称为立即数。
数据是采用 补码 的形式存放的， #表示立即寻址特征，A就是操作数本身。
立即寻址的优点是 指令在执行阶段不访问主存，指令执行时间最短；
缺点是 A的位数限制了立即数的范围.
OP # A

3.直接寻址：
指令字中的形式地址A就是操作数的真实地址EA， 即 EA = A
直接寻址的优点是简单，指令在执行阶段仅访问内存一次，不需要专门计算操作数的地址
缺点是 A的位数决定了该指令操作数的寻址范围，操作数的地址不易修改

4.间接寻址:
间接寻址是相对于直接寻址而言的，指令的地址字段给出的形式地址 不是操作数的真正地址，而是操作数有效地址所在的存储单元的地址，也就是操作数地址的地址（指针的指针…）， 即EA = （A）
间接寻址可以使一次间接寻址，还可以是多次间接寻址

5.寄存器寻址：
在指令字中直接给出操作数所在的寄存器编号，其操作数在由Ri所指的寄存器内
寄存器寻址的优点是 指令在执行阶段不访问主存，只访问寄存器

6.寄存器间接寻址：
寄存器间接寻址 是指 寄存器Ri中给出的不是一个操作数，是操作数所在主存单元的地址。
寄存器间接寻址的特点是与一般间接寻址相比速度更快，但指令的执行阶段需要访问主存。

7.相对寻址：
相对寻址是把程序计数器PC的内容加上指令格式中的形式地址A而形成操作数的有效地址， 即EA = （PC） + A， 其中，A是相对于当前指令地址的位移量，可正可负，补码表示。

8.基址寻址：
基址寻址是将CPU中基址寄存器（BR）的内容加上指令格式中的形式地址A，而形成操作数的有效地址，即EA = （BR） + A。 其中， 基址寄存器既可采用专用寄存器，也可采用通用寄存器。

9.变址寻址：
有效地址EA等于指令字中的形式地址A与变址寄存器（IX）的内容相加之和，即EA = （IX） + A， 其中，IX为变址寄存器（专用），也可以用 通用寄存器 作为变址寄存器。

10.堆栈寻址：
堆栈 是 存储器（或专用寄存器组）中一块特定的按“后进先出（LIFO）”原则管理的存储区，该存储区中被读/写单元的地址是用一个特定的寄存器给出的，该寄存器称为 堆栈指针（SP）。
堆栈 可分为硬堆栈与软堆栈两种。
寄存器堆栈又称为硬堆栈。寄存器堆栈的成本比较高，不适合做大容量的堆栈；
而从主存中划出一段区域来做堆栈是最合算且最常用的方法，这种堆栈称为软堆栈。
在采用堆栈结构的计算机系统中，大部分指令表面上都表现为无操作数指令的形式，因为操作数地址都隐含使用了SP。通常情况下，在读/写堆栈中的一个单元的前后都伴有自动完成对SP内容的增量或减量操作。

指令系统的发展方向：
一种是增强原有指令的功能，设置更为复杂的新指令，这类机器称为 复杂指令系统计算机（CISC）X86架构
一种是减少指令种类和简化指令功能，提高指令的执行速度，这类机器称为 精简指令系统计算机（RISC）ARM、MIPS架构。

CISC的主要特点：
1.指令系统复杂庞大，指令数目一般为200条以上
2.指令的长度不固定，指令格式多，寻址方式多
3.可以访存的指令不受限制
4.各种指令使用频度相差很大
5.各种指令执行时间相差很大，大多数指令需多个时钟周期才能完成
6.控制器大多数采用微程序控制
7.难以用优化编译生成高效的目标代码程序。

精简指令系统计算机（RISC）的中心思想是要求 指令系统简化，尽量使用寄存器–寄存器操作指令，指令格式力求一致。
RISC的主要特点：
1.选取使用频率最高的一些简单指令，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.只有Load/Store（取数/存数）指令访存，其余指令的操作都是在寄存器之间进行
4.CPU中通用寄存器数量相当多
5.RISC 一定采用指令流水线技术，大部分指令在一个时钟周期内完成
6.以硬布线控制为主，不用或少用微程序控制
7.特别重视编译优化工作，以减少程序执行时间

知识点8： CPU结构与功能
中央处理器（CPU）由 运算器 和 控制器 组成。
控制器的功能 是负责协调并控制计算机各部件执行程序的指令序列，包括取指令、分析指令、执行指令
运算器的功能 是对数据进行加工

CPU的具体功能包括：
1） 指令控制： 完成取指令、分析指令、执行指令的操作， 即程序的顺序控制
2） 操作控制： 一条指令的功能往往是由 若干操作信号的组合 来实现的。
CPU管理并产生由 内存取出的每条指令的操作信号，把各个操作信号送往相应的部件，从而控制这些部件按指令的要求进行动作。
3） 时间控制： 对各个操作加以时间上的控制。 时间控制要为每条指令按时间顺序提供应有的控制信号。
4） 数据加工： 对数据进行 算术和逻辑运算。
5） 中断处理： 对计算机运行过程中出现的异常情况和特殊请求进行处理

运算器接受从控制器送来的命令并执行相应的动作，对数据进行加工和处理。
他主要有算术逻辑单元（ALU）、暂存寄存器、累加寄存器（ACC）、通用寄存器、程序状态字寄存器（PSW）、移位器、计数器（CT）等组成。
（前4个 一定要有！！！）
1）算术逻辑单元： 主要功能是进行算术/逻辑运算
2）暂存寄存器： 用于暂存从主存读来的数据，这个数据不能存放在通用寄存器中，否则会破坏其原有内容。
暂存寄存器对应用程序员是透明的。
3）累加寄存器： 它是一个通用寄存器，用于暂时存放ALU运算结果信息，可以作为加法运算的一个输入端。
4）通用寄存器组： 如AX、BX、CX、DX、SP等，用于存放操作数（包括源操作数，目的操作数及中间结果）和 各种地址信息。 SP是堆栈指针，用于指示栈顶的地址。
5）程序状态字寄存器： 保留由算术逻辑运算指令或测试指令的结果而建立的各种状态信息，如溢出标志（OP）、符号标志（SF）、零标志（ZF）、进位标志（CF）等
6）移位器： 对操作数或运算结果 进行移位运算
7）计数器： 控制乘除运算的操作步数

控制器的基本功能就是 执行指令
每条指令的执行是由 控制器发出的一组微操作实现的。
控制器有 硬布线控制器 和 微程序控制器两种
控制器由 程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）、指令译码器、存储器地址寄存器（MAR）、存储器数据寄存器（MDR）、时序系统、微操作信号发生器 等组成。
PC 即将执行的程序指令地址（地址）。 IR 正在执行的指令（数据）。 可以通过MAR、MDR计算出程序空间多大…
1）程序计数器： 用于指出下一条指令在主存中的存放地址。
CPU就是根据PC的内容去主存中取指令的。 因为程序中指令（通常）是顺序执行的，所以PC有自增功能。（是加一个单位，加多少个字节那要看情况！）
2）指令寄存器： 用于保存当前正在执行的那条指令。
3）指令译码器： 仅对操作码字段进行译码，向控制器提供特定的操作信号。
4）存储器地址寄存器： 用于存放所要访问的主存单元的地址。
5）存储器数据寄存器： 用于存放向主存写入的信息或从主存中读出的信息。
6）时序系统： 用于产生各种时序信号，它们都是由统一时钟（CLOCK）分频得到。
7）微操作信号发生器： 根据IR的内容（指令）、PSW的内容（状态信息）及时序信号，产生控制整个计算机系统所需的各种控制信号，其结构由组合逻辑型和存储逻辑型2种

CPU从主存中每取出并执行一条指令所需的全部时间称为指令周期。
指令周期常常用若***器周期（取指令、取有效地址、执行指令）来表示，一个机器周期又包含若干时钟周期（也称为节拍或T周期）。每个指令周期内机器周期数可以不等

无条件转移指令JMPX，在执行时不需要访问主存，只包含取指阶段（包括取指和分析） 和 执行阶段，所以其指令周期 仅包含 取指周期和执行周期
对于间接寻址的指令，为了取操作数，需要先访问一次主存，取出有效地址，然后在访存，取出操作数，所以还需包括间址周期
当CPU采用中断方式实现主机和I/O设备交换信息时，CPU在每条指令执行结束前查询中断，如果有中断请求，CPU则进入中断响应阶段，又称中断周期。

指令周期 应该包括 ： 取指、间址、执行、中断 4个周期
4个工作周期都有CPU访存操作，只是访存的目的不同。 取指周期 是为了 取指令，
间址周期 是为了 取有效地址
执行周期 是为了 取操作数
中断周期 是为了 保存程序断点。
为了区别不同的工作周期，在CPU内设置4个标志触发器FE、IND、EX、INT，分别对应 取指、间址、执行、中断周期，并以 “1” 状态表示有效，他们分别由 1->FE 1->IND 1->EX 1->INT这4个信号控制。