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文档简介
计算机组成原理部分
北航计算机学院刘旭东
第三部分指令系统
一.指令格式
二.寻址方式
三.指令编码
L1指令格式
。机器指令的要素
A操作码(OperationCode):指明进行的何种操作(如ADD,I/O)
»源操作数地址(SourceOperandReference):参加操作的操作数的地址
,可能有多个。
>目的操作数地址(DestinationOperandReference):保存操作结果的地
±Lto
A下一条指令的地址(NextInstructionReference):指明下一条要运行的
指令的位置,一般指令是按顺序依次执行的,所以绝大多数指令中
并不显示的指明下一条指令的地址,也就是说,指令格式中并不包
含这部分信息。只有少数指令需要显示指明下一条指令的地址。
。操作数的来源
A存储器(存储器地址)
A寄存器(寄存器地址)
A输入输出端口(输入输出端口地址)
L1指令格式
♦:♦操作数的类型
A地址(操作数地址,指令地址)
A数值(整型数或定点数,浮点数,十进制数)
A字符
A逻辑型数
♦:♦指令的表示
A机器表示:二进制代码
OpCodeS.OperandRetD.OperandRef.
A符号化表示:助记符
MOVAX,BX
♦:♦指令编码
A指令长度
A指令在内存中的表示
L2寻址方式______________________________________
♦:♦形式地址与有效地址
A形式地址:指令中直接给出的地址编码。
A有效地址:根据形式地址和寻址方式计算出来的操作数在内存单元中
的地址。
。寻址:根据形式地址查找到操作数的过程。内存
L2寻址方式
。寻址方式
A定义:指令代码中地址字段的一部分,指明操作数的获取方式或操作
数地址的计算方式。
A指令中每一个地址字段均有其寻址方式编码(或隐含寻址方式)
源操作数寻址方式Add
L2寻址方式_______________________________________
。指令代码和寻址描述中有关缩写的约定
>0P:操作码
>Des:目的操作数地址
>Sur:源操作数地址
AA或Add:形式地址(内存地址)
>Mod:寻址方式
>Rn:通用寄存器
>Rx:变址寄存器
>Rb:基址寄存器
>SP:堆栈指针(寄存器)
>EA:有效地址
>Data:操作数
>Operand:操作数
>(X):表示对象X的内容(值),如(Rn)表示寄存器Rn的内容(值)
,(A):内存本地址为A的单元的内容。
Data:立即数
>XXH:16进制数XX
L2寻址方式
。立即寻址
»操作数直接在指令代码中给出。
OPDesModImme.Data
源操作数
。说明
A立即寻址只能作为双操作数指令的源操作数。
>Operand=Imme.Data
A例:MOVAX,1000H
♦思考
A立即寻址的操作数在什么地方,存储器or寄存器?
A立即数的地址?
L2寻址方式
。寄存器直接寻址
A操作数在寄存器中,指令地址字段给出寄存器的地址(编码)
>EA=Rn,Operand=(Rn)
A例:MOV[BX],AX
L2寻址方式
♦:♦存储器直接寻址
A操作数在存储器中,指令地址字段直接给出操作数在存储器中的地址
>EA=A,Operand=(A)
A例:MOVAX,[1000H]
L2寻址方式
。寄存器间接寻址
A操作数在存储器中,指令地址字段中给出的寄存器的内容是操作数在
存储器中的地址。
>EA=(Rn),Operand=((Rn))
A例:MOVAX,[BX]
A寄存器Rn
L2寻址方式
♦:♦存储器间接寻址
A操作数在存储器中,指令地址字段中给出的存储器地址的单元内容是
操作数在存储器中的地址。
>EA=(A1),Operand=((A1))
A例:MOVR1,@(1000H)PDP-11的指令
L2寻址方式
。基址寻址
»操作数在存储器中,指令地址字段给出一基址寄存器和一形式地址,
基变址寄存器的内容与形式地址之和是操作数的内存地址。
>EA=(Rb)+A,Operand=((Rb)+A)
A例:MOVAX,1000H[BX]
基址寻址的作用:较短的形式地址长度可以实现较大的
存储空间的寻址。
L2寻址方式_____________________________________
♦:♦变址寻址
A操作数在存储器中,指令地址字段给出一变址寄存器和一形式地址,
变址寄存器的内容与形式地址之和是操作数的内存地址。
>EA=(Rx)+A,Operand=((Rx)+A)
A有的系统中,变址寻址完成后,变址寄存器的内容将自动进行调整。
RxQ(Rx)+??操作薮Data的字节数?
»例:MOVAX,1000H[DI]
A
A+1
A+N
A变址寻址的作用:数组操作,串操作
L2寻址方式______________________________________
。相对寻址
A基址寻址的特例,由程序计数器PC作为基址寄存器,指令中给出的形
式地址作为位移量,二者之和是操作数的内存地址。
>EA=(PC)+A,Operand=((PC)+A)
A例:JNEA
L3指令编码
。如何确定指令的长度
A16位定长指令系统,指令编码长度一般为16位,
如:MOVR15R2
»如果指令中出现了立即数、变址值,指令长度是32
位.如:MOVR1,1000或MOV1000(R1),R2
L3指令编码
♦:*8086指令(直接寻址)
>MOVAX,BX(指令代码:89D8H)
存储器
CS:IP89H
D8H
L3指令编码
♦:*8086指令(基址变址寻址)
>MOVAX,1000H[BX](指令代码:8B870001H)
»等价于MOVAX,DS:[BX+1000H]
>EA=DS:(BX)+1000H存储器
CS:IP8BH
87H
OOH
01H
L3指令编码
。如何确定CPU读取指令所需要的读取周期
»计算机字长16位,读取16位指令需要一个读指
令周小
»计算加字长16位,读取32位指令需要两个读周
期。重际上,第二个读周期读取了指令的法心部分(
操隹码,寄存器缄号,寻址方式部分),第二个读周
期隹取指令的附属部分(立即数,变址值)。
试题讲解
1.某计算机主存大小64KB,CPU内部有8个16位通用寄存
器,8个8位通用寄存器,1个16位变址寄存器。该机
指令系统有64条指令,全部为寄存器寄存器型或寄存
器存储器型指令,同时支持8位和16位运算。当操作数
不在寄存器中是,采用下列寻址方式:
(1)寄存器间接寻址(用16位寄存器)
(2)存储器直接寻址
(3)基址变址寻址(任意16位寄存器做基址寄存器,
位移量16位)。
设计适合该计算机的指令格式,使指令长度最短。
61132316
Reg1MODReg2MemAddorDisp
第四部分中央处理器一运算器
、加法与乘法运算
、运算器结构
L1加减法运算
♦:♦加法单元(全加器)
Si
E-G
AiBi
S=A5/C.+AB.G+AB/G+A.B.C
1/1/V1/1/V
G「A4+G(aB)
L1加减法运算
♦:♦并行加法器一一串行进位
L1加减法运算
♦:♦并行加法器一一并行进位(或先行进位)
令Gi=A4«=ABj
G=G0+与c°
。2=。+。£=。+5片+4用品
C3=G2+。2鸟=G2+。鸟+G0々巴+4片《。0
C4=G3+C34=G3^G2P3+GM心如陋+玲々鸟鸟C°
♦:♦并行进位的特点
»同时产生进位
A加法延时缩短
»实现相对复杂
L1加减法运算
♦:♦并行进位链
L2补码乘法
♦:♦补码乘法规则
»乘积的补码=被乘数的补码X乘数的真值
[尸]补二X。]补二[M]补xQ
L2补码乘法
♦:♦算法规则
A比较乘数相邻的两位:Qi和QM
■QiQM=OO或11,上一次部分积直接右移一位形
成新的部分积
■QiQ=01,上一次部分积加上被乘数补码后右移
一位姓H成新的部分积
-Q.QM=10,上一次部分积减去被乘数补码后右移
一位形成新的部分积
»重复n次。
»对于n位数的一位比较法,需要执行n次加法运算
和n次移位运算。
L2补码乘法
L3浮点数的运算
。浮点数的加减法运算
A规格化
A对阶(小阶向大阶对齐)
A尾数加减运算
A结果规格化
A结果溢出问题
♦:♦浮点数的乘除法运算
A乘法:阶码相加,尾数相乘,结果规格化。
A除法:阶码相减,尾数相除,结果规格化。
L4运算器的简单结构
总线
PC
AC:累加器
ALU:算术逻辑运算单元
A,B:缓冲器
GR:通用寄存器
IR:指令寄存器
ID:指令译码器
PCt程序计数器
MAR:地址寄存器
MBR:数据寄存器
第五部分中央处理器一控制器
一、模型机结构
二、控制方式与时序系统
三、执行执行微操作流程
四、微程序控制器
返回
L1模型机结构
L1模型机结构
♦:♦简化的8086/8088结构
A16位系统
A通用寄存器部件
»主存地址寄存器MAR
»主存数据寄存器MDR
A暂存器C,D,Z
A程序计数器PC
»指令寄存器IR
>ALU
A存储器部件
»控制部件
A数据通路与控制信号
A微操作控制信号与控制脉冲
L2模型机的指令系统____________________________
。双操作数指令格式
A16位定长指令系统
A指令中不包含立即数和变址值:16位,如MOVAX,BX
»指令中只包含立即数或变址值:32位,如MOVAX,1000H;
MOVAX,1000H[BX];
A指令中包含立即数和变址值:48位,如MOV2000H[BX],1000H;
6112338888
M
OpcodedW0REGR/MData_LowData-HighDisp_LowDisp_High
D
L3捽制方式与时序系统__________
。控制方式
A同步控制方式
A异步控制方式
♦:♦时序系统
»脉冲时序信号:主时钟脉冲
A节拍信号:T1,T2,T3,T4
A机器周期信号:M1,M2,M3,M4
。指令周期
»指令周期、机器周期、节拍周期
»指令周期:取指周期、取数周期、执行周期
»指令周期与机器周期的关系
»机器周期与节拍周期的关系
L3捽制方式与时序系统
♦:♦时序系统
L3捽制方式与时序系统
♦:♦时序部件
Ml
=M2
机器周期
主振AM3
触发器AM4
A
AT1
CLKAT2
主时钟发生器节拍发生器AT3
T4
T4T3T2T1
L4指令执行微操作流程______________________________
♦:♦指令的执行过程
A取指:从存取器读取当前指令送到指令寄存器(IR),要根据指令编码的
长度才能确定读取指令的详细流程。
A取数:计算操作数地址,读取操作数,要根据操作数的来源与寻址方式才
能确定具体的操作过程。
»执行:执行并送结果。
♦:♦取指周期
A指令的核心部分占16Bits,机器字长16Bits,每一次从存储器能读取16Bits
A指令编码长度有2个字节(16位),4个字节(32位),甚至6个字节,但指
令核心就分长诲为16位。
A取指周期特指读取指令核心部分(16Bits)的周期,所以在这种前提下,
所有指令的取指周期是完全一样的。
结构图
L4指令执行微操作流程
♦:♦取指周期的微操作流程
A取指流程需要4个节拍
A每条指令执行过程的第一个机器周期M1都是取指周期(取到指令核心部分)
时间节拍完成功能得要的微操作信号需要的控制脉冲
M1.T1指令地址送MARIBRPCCPMAR
M1.T2ReadMemoryABRMAR,RD
指令送MDRMDR6DBCPMDR
M1.T3
调整PCPC+1CPPC
M1.T4MDR(指令)送IRIB6MDRCPIR
结构图
L4指令执行微操作流程_________________
❖MOVAX,BX指令执行的微操作流程
»指令长度:16位,一次可读取完毕(指令代码:89DBH)
A读取指令周期:机器周期M1内完成
»执行周期:机器周期M2内完成
时间节拍完成功能需要的微操作信弓需要的控制脉冲
M1.T1指令地址送MARIBSPCCPMAR
取
指M1.T2ReadMemoryABRMAR,RD
周
期指令送MDRMDRGDBCPMDR
M1.T3
调整PCPC+1CPPC
M1.T4MDR(指令)送IRIBGMDRCPIR
执M2.T1BX送暂存器CIBVGR,RDGRCPC,BX地址
行
周M2.T2暂存器C送AXIBGC,WRGRAX地址
期
M2.T3无操作
M2.T4无操作
结构图
L4指令执行微操作流程___________
❖ADDAX,BX指令执行的微操作流程
»指令长度:16位,一次读取
A读取指令周期:机器周期M1内完成
»执行周期:机器周期M2内完成
时间节拍完成功能需要的微操作信号需要的控制脉冲
M1.T1指令地址送MARIB6PCCPMAR
取
指M1.T2ReadMemoryABJMAR,RD
周
期指令送MDRMDRGDBCPMDR
M1.T3
调整PCPC+1CPPC
M1.T4MDR(指令)送旧IB6MDRCPIR
执M2.T1BX送暂存器DIBGGR,RDGRCPD,BX地址
行
周M2.T2AX送ALU,完成加法IB6GR,ADDCPZ,AX地址
期
结果送AX旧GZ,WRGRAX地址
M2.T4无操作
结构图
L4指令执行微操作流程__________________
❖MOVAX,1000H[BX]指令执行的微操作流程
»指令长度:32位,分两次读取(指令代码:8B870010H)
A读取指令周期:机器周期M1内完成(读第一个16位)
A读变址值周期:机器周期M2内完成
A取操作数周期:机器周期M3内完成
A执行周期:机器周期M4内完成
时间节拍完成功能需要的微操作信号需要的控制脉冲
<
M1.T1指令地址送MARIBVPCCPMAR
取
指M1.T2ReadMemoryAB6MAR,RD
周X
期I指令送MDRMDRVDBCPMDR
M1.T3
调整PCPC+1CPPC
M1.T4MDR(指令)送旧IB6MDRCPIR
结构图
L4指令执行微操作流程
时间节拍完成功能需要的微操作信号需要的控制脉冲
M2.T1PC送MARIBRPCCPMAR
取
变M2.T2从存储器读取1000HABRMAR,RD
址
值1000H送MDRMDR6DBCPMDR
M2.T3
调整PCPC+1CPPC
M2.T4MDR(1000H)送DIB6MDRCPD
取送IBGGR,RDGR,地址,
M3.T1(BX)+1000HZADDBXCPZ
数
周M3.T2源操作数地址Z送MARIBVZCPMAR
期
M3.T3读取源操作数ABRMAR,RD
M3.T4源操作数送MDRMDR6DBCPMDR
结构图
L4指令执行微操作流程
时间节拍完成功能需要的微操作信号需要的控制脉冲
M4.T1源操作数送AXIBRMDR,WRGRAX的地址
执)
行<M4.T2
周i
期M4.T3
M4.T4
L5微操作信号的综合
A译码与微操作控制信号部分逻辑图
ToControlBus
微操作信号
时
序
部微操作信号生成部件
件
A▲A▲▲
MAsJR
,
oDuNF
VDBET
:寻址方式寻址方式
指令译码器(in)
AAMAAAAUI-
操作眄IIB/WI用四方足
指令寄存器(IR)
1.6微程序原理___________________________________
♦:♦基本概念
A指令的执行特点:按顺序执行一系列的微操作,每一个时钟周
期(节拍)完成一个或多个微操作。
»将指令执行微操作序列中一个节拍内同时完成的微操作用一个
二进制代码串来表示,这就是微指令。
A微指令的执行:通过某种逻辑产生该微指令所表示的微操作控
制信号,送控制总线,并维持一个时钟周期。
A指令的执行=微指令的序列
»微指令序列=微程序
A一条机器指令对应一段微程序
A将所有指令对应的微程序保存在存储器中(控制存储器)
A基于这种思想构造的控制器:微程序控制器
L6微程序原理_______________________________________
♦:♦微指令
»存储:控制存储器
»执行:向控制总线输出微指令表示的位值为1的微操作控制信号
,并维持一个时钟周期
»顺序控制:在微指令中设置次地址字段,直接指定下一条微指
令。
»条件控制:在指令中设置表示条件的字段,通过某种逻辑根据
条件值得到下一条微指令的地址。
微操作控制信息字段条件字段次地址字段
L6微程序原理
♦:♦微程序控制器的原理指令寄存器
»根据指令译码得到该指令的
第一条微指令的地址。控制器
译码器
»读取微指令送微指令寄存器
»生成微操作信号送控制总线控制地址寄存器CMAR
(执行该微指令)
A顺序逻辑根据次地址信息和
ALU标志信息形成下一条微ALufzX
指令的地址并送CMAR标控制存储器
时钟一►
微指令寄存器
次地址控制
微操作控制信号
L7微指令格式
♦:♦微操作控制字段编码方式
A直接控制编码:每一个二进制位代表1个微操作控制信号。1表示执
行该微操作,0表示不执行该微操作。不需要译码。
»分段直接编译:将微操作分组,同一组微操作互斥,不会同时执行
,任何时候最多只有一个微操作被执行,组间微操作可能同时执行
,组内微操作采用编码方式。从编码到微操作信息需要译码。
L7微指令格式____________________________________
♦:♦顺序控制字段
»条件字段:该微指令执行完后,是否要根据ALU的标志以及根据其
他标志来确定下一条微指令在控制存储器中的地址。
A次地址字段:顺序执行时,指出下一条微指令的地址,有条件测试
时,需要与条件字段配合才能确定真正要执行的下一条微指令的地
质。
微操作控制信息字段条件字段次地址字段
L7微指令格式
♦:♦控制存储器
取指公共微程序
ADD微程序
SUB微程序
1控制存储
AND微程序(器结构
XXX指令微程序
L8微指令的顺序控制
♦:♦顺序控制技术
A决定下一条微指令的因素:当前微指令,条件标志,指令操作码
》顺序执行时:次地址字段直接给定,每条机器指令的微程序的最后
一条微指令的次地址字段一定是公共取指微程序的第一条微指令在
控制存储器中的地址。
»公共取指微程序的最后一条微指令的次地址没有什么意义,需要根
据操作码的译码结果才能确定下一次要执行的微指令的地址。
»微指令中有条件转移是的次地址技术:
■双次地址字段
-地址逻辑生成次地址
L8微指令的顺序控制
L8微指令的顺序控制
双地址字段
L8微指令的顺序捽制
生成次地址
L8微指令执行的时序捽制
微指令周期----》
取微取微取微
指令指令指令
执行微指令执行微指令
微程序控制器的速度与硬接线控制器的速度谁快?
L9微指令格式设计举例
结构图
L9微指令格式设计举例______________________
A微指令格式(40位字)
■控制字段(24位):表示24个微操作,依次是:
GRRB,PC3IB,Z习B,FR习B,D习B,C习B,
MDR^IB,RDGR,WRGR,MAR^AB,MDR9DB,
DB9MDR,RD,WR,SAL,SAR,ADD,SUB,B-1,
W/B,P+1,CLPC,NOT,NEG
■条件字段:4位,表示16种状态,可以表示15个不同的
ALU标志,还有一无标志状态(顺序执行时)。
■次地址字段:控制存储器容量为4KW,所以12位,
微操作控制字段(24位)条件字段(4位)次地址字段(12位)
试题讲解
1.一CPU内部包含16个寄存器,一个支持16种算术运算
和16种逻辑运算的ALU,一个支持8种操作的移位器。
所有部件均由CPU内部总线连接在一起。请设计指定
该CPU内部不同操作的微指令格式(不必考虑次地址
部分)。(选自2000年考研试题)
2.某机采用微程序控制器设计,已知每一条机器指令的
执行过程均可分解成8条微指令组成的微程序,该机指
令系统采用6位定长操作码格式,控制存储器至少应能
容纳多少条微指令?如何确定机器指令操作码与该指
令微程序的起始地址的对应关系,请给出具体方案。
(选自1999年考研试题)
试题讲解
❖某机字长为16位,采用16位定长指令拾式,结构如图所
示,控制方式米用混合控制方式,每小CPU周期包含4
个节拍,指令:
/NC200但“;加7指令,基址寻址方式,87为基址寄存器。
写出执行该指令的详细微操作流程,该指令执行共需多少个CPU周期。
总线
微操作控制信号
PC
IlliI
微操作信号IAC:累加器
发生器ALU:算术逻辑运算单元
A.B:缓冲器
GRS通用寄存器
IR:指令寄存器
ID:指令译码器
PC:程序计数器
MARMAR:地址寄存器
MBR:数据寄存器
第六部分输入输出部分
一.输入输出一般概念
二.中断输入输出方式
三.总线
L1I/漏口
♦:♦外部设备并不直接挂接在系统总线上,而是通过I/O接口最为
桥梁实现与系统总线的连接
»各种外设使用不同的操作方法,由CPU来直接控制不同的外设不切实际。
A外设的数据传送速度比存储器和处理器的速度慢得多,使用高速的系统总
线与慢速的外设直接连接,不切实际。
»外设经常使用与处理器不同的数据格式和字长度。
L11/微口
*1/0接口的功能
A识别I/O地址,即地址译码;
A实现主机与I/O设备的数据交换、控制命令的传递和状态检测与传递;
»提供缓冲、暂存和驱动能力;
A进行数据格式、类型方面的转换(串并行转换,电平转换等);
A支持一定的I/O方式(程序查询、程序中断、DMA等);
AI/O控制与定时
。I/O接口的分类
A按传送数据格式:串行接口,并行接口
・串行接口适合速度低、传输距离长的环境
■并行接口适合速度高、传输距离短的环境
A按I/O方式:程序查询接口、中断接口、D
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