计算机组成原理—指令系统、CPU

计算机组成原理—中央处理器（2）

五、指令系统

1.机器指令

1.1一般形式

指令由操作码和地址码构成

• 操作码

用来指明指令要完成的操作。操作码长度可固定，可改变

• 地址码

用来指出指令的源操作数的地址

四地址指令：

OP	A1	A2	A3	A4
操作码	第一地址	第二地址	结果地址	下一条指令地址

需要4次访存

三地址指令：

OP	A1	A2	A3
操作码	第一地址	第二地址	结果地址

因为PC地址自动+1所以不需要A4，需要4次访存

二地址指令：

OP	A1	A2
操作码	第一地址	第二地址

可将结果暂时存放到A1/A2，所以不需要A3

若结果不进入ACC(累加器)则需访存4次；反之访存3次

一地址指令：

OP	A1
操作码	操作码

其中一个操作数可在ACC中所以不需要A2

若结果进入ACC则需访存2次

零地址指令：

无地址码，如，空操作，停机等

1.2指令字长(8的整数倍)

• 固定：等于存储字长
• 可变：按字节的整数倍变

2.操作数类型和操作类型

2.1操作数类型

地址，数字，字符，逻辑数据(逻辑运算)

2.2操作类型

数据传送(交换源：参与操作；目的：参与+结果)，算术逻辑操作，移位，转移(包括有条件，无条件...)

3.寻址方式

3.1指令寻址

分为顺序和跳跃两种，比较简单，见下图即可

3.2数据寻址

确定操作数的地址

• 立即寻址：操作数本身就是操作数，也叫做立即数。不需要访存
• 直接寻址：指令中的地址就是真实的地址。有效地址由地址直接给出，需要一次访存，A的位数决定了该指令操作数的寻址范围
• 隐含寻址：不需要明显给出操作数地址，一般ACC采用
• 间接寻址：有效地址由形式地址间接提供，一次间接，两次访存
• 寄存器寻址：有效地址为寄存器编号，不需要访存
• 寄存器间接寻址：有效地址在寄存器中，数据还是存在存储器中
• 基址寻址
• 变址寻址
• 相对寻址：A是相对于当前指令的偏移量
• 堆栈寻址：栈顶是低地址。

在进行设计时注意进位问题

六、CPU的结构和功能

1.CPU的结构

1.1CPU的功能

• 控制器功能：取指令，分析指令，执行指令，控制程序的输入和运算结果的输出，对总线的管理和异常、特殊情况的处理
• 运算器的功能：实现算术逻辑运算

CPU有指令控制，时间控制，操作控制，处理中断和数据加工等功能

1.2CPU结构框图

控制指令：PC,IR

操作、时间控制：CU,时序电路

数据加工：ALU寄存器

处理中断：中断系统

1.3 CPU的寄存器

• 用户可见寄存器：通用寄存器，数据寄存器，地址寄存器，条件码寄存器
• 控制和状态寄存器：

不同系统的规定不同

2.指令周期

2.1基本概念

CPU取出并执行一条指令所需的全部时间称为指令周期一般的，指令周期 = 取值周期 + 执行周期

在其上的基础上，我们在加入取地址的周期和中断的周期，我们就得到了下图的一个指令周期的流程图

2.2指令周期数据流

• 取值周期

• 间址周期

• 执行周期：不同的指令操作不同
• 中断周期

3.指令流水

• 总结：如何提高机器速度

1.提高访存速度：高速芯片，Cache,多体并行

2.提高I/O和主机的传送速度：中断，DMA，通道，多总线，I/O处理机

3.提高运算器速度：高速芯片，改进算法，快速进位链

4.提高整机处理能力：告诉器件，改进系统结构，开发系统的并行性

3.1指令流水原理

将每一个指令周期按照不同的指令分成若干段，实现并行操作

FI:取指	FO:取操作数
DI:译码	EI:执行指令
CO:计算操作数个数	WO:存储结果

3.2影响指令流水性能的因素

• 结构相关(访存冲突)

同一时间对存储器既要访问，又要取指=>暂停后再进行操作；设两个独立的存储器存放操作数和指令

• 数据相关

出现先读后写(当现代的数需要上一步的结果)=>后推法：将读指令推至写指令后；采用定向技术(旁路技术)

• 控制相关

主要由转移指令引起，使提前做的浪费=>提早预判转移的发生，提早转移

3.3流水线性能

n条指令，m级流水,每一小段时间为t

• 吞吐率：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：Tpmax = 1 / t

时间吞吐率：Tp = n / m*t+(n-1)t = Tpmax / 1+(m-1)/n

第一条指令用时m*t,其余每一个t就有一条指令结束

• 加速比：m段流水线速度与其非流水线速度的比值

Sp = (n * m * t) /m*t+(n-1)t

• 效率：各功能段的利用率

E = mnt / (mt+(n-1)t)m = Sp / m = Tp*t