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第2章CPU与指令系统2.1基本概念2.2指令的执行过程2.3指令的流水执行2.4指令和数据的寻址方式2.5指令系统
2.1CPU基本概念CPU的基本功能指令控制操作控制数据运算异常和中断处理CPU的扩展功能存储管理数据缓存总线管理功耗管理
2.1CPU基本概念CPU的基本构成:控制器,运算器,寄存器,[cache、MMU]寄存器:用于(临时)存放各种信息。指令寄存器:存放当前执行的指令,为指令译码器提供指令信息。程序计数器:存放指令的地址,从存储器取指令时根据PC值进行。数据寄存器:存放操作数和运算结果,以减少访问存储器的次数。地址寄存器:存放操作数的地址。状态寄存器:存储运算中的状态,作为控制程序的条件。数据通路:寄存器与ALU之间传递信息的线路。通常有2种建立方法:用数据总线(单总线,双总线,多总线)用专用通路(如MIPS)
时间概念指令周期是从一条指令的启动到下一条指令的启动的时间间隔。机器周期指令周期中包含若干个基本操作步骤,如访问存储器和运算等。每个基本操作的时间称为机器周期。时钟周期是计算机时钟主频的周期。一个机器周期可以包含若干个时钟周期
2.2指令的执行过程(1)取指令(2)指令译码及读取操作数(3)执行(4)写回
一、运算指令的执行过程采用单总线结构:如ADDR3,R1,R2(1)PC→MAR(2)PC+1→PCPCMAR
一、运算指令的执行过程单总线结构:如ADDR3,R1,R2(1)PC→MAR(2)PC+1→PC(3)DBUS→MDR(4)MDR→IRMDRIR指令译码器
一、运算指令的执行过程单总线结构:如ADDR3,R1,R2(1)PC→MAR(2)PC+1→PC(3)DBUS→MDR(4)MDR→IR(5)R1→YR1Y
一、运算指令的执行过程单总线结构:如ADDR3,R1,R2(1)PC→MAR(2)PC+1→PC(3)DBUS→MDR(4)MDR→IR(5)R1→Y(6)R2+Y→ZR2Z
一、运算指令的执行过程单总线结构:如ADDR3,R1,R2(1)PC→MAR(2)PC+1→PC(3)DBUS→MDR(4)MDR→IR(5)R1→Y(6)R2+Y→Z(7)Z→R3R3状态寄存器
2.3指令的流水执行流水技术用于提高指令的执行速度和数据运算速度。流水工作方式将一个计算任务细分成若干个子任务每个子任务由专门的部件处理多个计算任务依次进行并行处理流水周期
2.3指令的流水执行计算机流水线中的计算任务可以是一个算术逻辑运算操作,也可以是一条指令的执行。指令级流水线是把一条指令的执行过程分成多个子过程,由各个部件进行轮流处理后完成执行过程。不必等到上一条指令的完成就可以开始下一条指令的执行。指令的流水线在高性能的微处理器中被普遍采用。
2.4指令和数据的寻址方式指令格式指令和数据的寻址方式指令系统
指令格式指令格式操作码[,地址码][,条件码][,下一条指令的地址]一、操作码 固定长度操作码:便于译码,扩展性差 可变长度操作码:能缩短指令平均长度二、地址码 零地址指令,如NOP,CLR 一地址指令,如INCR1 二地址指令,如ADDR1,R2 三地址指令,如ADDR1,R2,R3
指令和数据的寻址方式存储器中既存储指令,又存储数据。在存储器中寻找指令或数据的方法有多种:按地址寻找按内容寻找按顺序寻找在绝大多数计算机中都采用按地址寻找的方式在按地址寻找存储内容的计算机中,对指令的地址码进行编码,以形成操作数,寻找操作数在寄存器或存储器中地址的方式称为寻址方式。
指令和数据的寻址方式指令的寻址方式顺序执行 程序计数器(PC)寻址非顺序执行 转移指令 指令2PC指令3指令1
操作数寻址方式 1.隐含方式 2.立即数方式 3.寄存器方式 4.直接寻址 5.间接寻址 6.相对寻址 7.变址和基址寻址
2.5指令系统指令集设计原则完备性:能够覆盖所需的各种功能正交性:无功能完全相同的指令可扩充性:保留一定余量的操作码空间以供以后功能扩展。有效性:利用该指令系统编写的程序能高效地运行。兼容性:机器指令的通用性。
指令类型数据传送:move,load,store算术运算:add,sub,mult,div,comp逻辑运算:and,or,neg,shift程序控制:jump,branch,jsr,ret,int输入输出:in,out堆栈操作:push,pop字符串:如alpha中CMPBGE,INSWH等多媒体指令:DSP系统指令:如奔腾机中
程序流控制-转移指令条件转移vs无条件转移
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