计算机组成原理PPT.

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1、上节复习 1、下列关于RISC的叙述中，错误的是（ ） A、RISC普遍采用微程序控制器 B、RISC大多数指令在一个时钟周期内完成 C、RISC的内部通用寄存器数量相对CISC 多 D、RISC的指令数、寻址方式和指令格式种 类相对CISC少 答案：A 2、某计算机的控制器采用微程序控制方 式，微指令的操作控制字段采用字段直接 编码法，共有33个微命令，构成5个互斥 类，分别包含7、3、12、5、6个，问控制 位共需要多少二进制位（） A、5 B、6 C、15 D、33 答案：C 3、下列不会引起指令流水阻塞的是 A.数据旁路 B.数据相关 C.条件转移 D.资源冲突 答案是：A 理由是：数

2、据旁路技术就是用于解决流水数据相关的。也就是说 在遇到数据相关的时候，在可能情况下可以通过数据旁路技术加 以克服，其他3个选项都是指令流水线阻塞的基本原因。 4、某CPU主频为1.03GHz，采用4级指令流水线，每个 流水段的执行需要1个时钟周期，假设CPU执行了 100条指令，在其执行过程中，没有发生任何流水阻 塞，此时流水线的吞吐率为（） A.0.25109条指令/秒 B.0.97109条指令/秒 C.1.0109条指令/秒 D.1.03109条指令/秒 答案: C 第四章 指令系统 本讲内容 指令系统的基本概念 指令格式 寻址方式（重点） 指令类型 典型例题举例（重点） 4.1指令系统的

3、基本概念 1、指令：计算机执行某种操作的命令。 微指令：是微程序级的命令，属于硬件。 宏指令：由若干条机器指令组成的软件指令，属于软件。 机器指令：简称指令，一条指令可以完成一个独立的算术/逻辑运 算操作 2、机器字：计算机能够直接处理的二进制数据 机器字长：计算机能够直接处理的二进制数据的位数。 决定计算机的运算精度。 通常与主存单元的位数一致。 3、指令字：表示一条指令的机器字，简称指令。 指令字长：一个指令字中包含的二进制代码的位数。 单字长指令：指令字长度等于机器字长度的指令。 半字长指令：指令字长度等于半个机器字长度的指 令。 双字长指令：指令字长度等于两个机器字长度的指 令。 等长

4、指令字结构：在一个指令系统中，各种指令字长度是相等的。 结构简单，取指快、译码简单 变长 指令字结构： ，.不相等 结构灵活，可提高编码效率，控制复杂 4.1指令系统的基本概念 4、指令系统：一台机器中所有机器指令的集合。它对计算机性能的影响主要 体现在三个方面： 机器的硬件结构 机器的系统软件 机器的适用范围 指令系统的性能要求 完备性：是指用汇编语言编写程序时，指令系统提供的指令 足够使用。 有效性：是指利用该指令系统所编写程序能够高效运行。 规整性：是指指令系统对称、匀齐、一致。 兼容性：系列机个机种上基本软件可通用。 5、系列计算机： 基本指令系统相同，基本体系结构相同的一系列计算机。

5、 6、CISC：复杂指令系统计算机 RISC：精简指令系统计算机 7、指令助记符：为了便于书写和记忆，用3或4个英文缩写字母表示一条指令 ，这种缩写码称为指令助记符。 4.2 指令格式 指令能反映以下信息 做什么操作 如果需要操作数，从哪里取 结果送哪里 下一条指令从哪里取 影响计算机指令格式的因素 机器的字长 存储器的容量 指令的功能 所以指令包括两个方面内容： 操作码字段地址码字段 操作码：表征指令的操作特性和功能。不同指令有不 同编码。 地址码：指定参与操作的操作数的地址。 4.2 指令格式 一、操作码设计 1、分类 固定长度操作码：操作码的长度固定，且集中放 在指令字的一个字段中 便于

6、译码，扩展性差 可变长度操作码：操作码的长度可变，且分散放 在指令字的不同字段中 能缩短指令平均长度；指令的译码复杂 2、操作码位数的确定 1）要点：组成操作码字段的位数取决于指令系统的指令条数 。 2）举例 指令系统8条指令8=23 3位操作码 指令系统32条指令32=25 5位操作码 指令系统2n条指令n位操作码 3） 扩展（可变长度）操作码技术 基本思路： 让操作数地址个数多的指令操作码 字段短些，让操作数地址个数少的 指令操作码字段长些 例: 某机器指令长16位，包括一个操作 码字段和3个地址码字段，操作码和 地址码长度都为4位，格式如下 OP A1 A2 A3 如果采用固定长度操作码

7、，4位操作码最多定 义16条三地址指令 3） 扩展（可变长度）操作码技术 操作码的位数随地址数的减少而增加 OP A1 A2 A3 0000 0001 1110 A1 A1 A1 A2 A2 A2 A3 A3 A3 A2 A2 A2 A3 A3 A3 1111 1111 1111 0000 0001 1110 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 0000 0001 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 A3 A3 A3 0000 0001 1110 4 位操作码 8 位操作码 12 位操作码 16 位操作码

8、最多15条三地址指令 最多15条二地址指令 最多15条一地址指令 16条零地址指令 三地址指令操作码 每减少一种可多构成 24 种二地址指令 二地址指令操作码 每减少一种可多构成 24 种一地址指令 例1：设某台计算机有100条指令，要求： 1.采用固定长度操作码编码，试设计其操作码编码。 2.假设这100条指令中有10条指令的使用概率达到90%，其余90 条指令的使 用概率达到10%，试采用不等长编码设计一种操作码编码的方案，并求出操 作码的平均长度。 解： 1. 采用固定长度操作码编码，需要7位操作码。取其中100个代码作为操作码。 000，0000110，0011之间的代码代表100条指

9、令。（长度固定为7） 其余的110，0100111，1111共28个代码可用于增加新的指令。 2. 采用不固定长度操作码编码，可以用4位代码对10条指令进行编码， 用8位代码对90条指令进行编码。 00001001对应10条常用的指令，10101111之间的代码扩展4位， 1010，00001111，1001之间的90个代码表示其余90条指令 0000-指令0的操作码 ；1000 -指令8的操作码 0001-指令1的操作码 ；1001 -指令9的操作码 1010，00001001，1111；代表16个操作码 1011，0000 1011 ，1111；代表16个操作码 1100，0000 110

10、0 ，1111；代表16个操作码 1101，0000 1101，1111；代表16个操作码 1110，0000 1110，1111；代表16个操作码 1111，0000 1111，1001；代表10个操作码 指令操作码的平均长度为： 4*90%+8*10%=4.4 小于等长编码的7位。 剩余的编码1111，10101111，1111（6个），通过增 加操作码的长度进一步的扩展。 90个操 作码 例2 若某计算机要求有如下形式的指令：三地址指令4条，单地址指令254 条，零地址指令16条(不要求有二地址指令)。设指令字长为12位，每个 地址码长为3位，试用扩展操作码为其编码。 解： 在三地址指令

11、中三个地址字段占33 = 9位。剩下12-9=3位作为 操作码，四条指令的操作码分别为000、001、010、011。 在单地址指令中，操作码可以扩展到12-3=9位，其中前3位的代码 是上述四个操作码以外的4个编码，即首位为1。编码范围是 1xxxxxxxx。共有28=256个编码，取其前254个，100000000 111111101。剩下2个作为扩展用。 对于零地址指令，全部12位指令代码都是操作码，其中前9位剩下 2个编码与后3位的8个编码正好构成16个操作码。 三种指令的编码结果 例3：计算机指令长度为20位，有2地址指令，1地址指令，0地址指令 。地址码长度6位，问若操作码字段固定

12、长度为8位，现设计出m条2 地址指令，n条0地址指令，此时该计算机最多可以设计出多少条1地 址指令。 解： 地址码操作码地址码 6620-12=8 因为操作码字段固定长度为8位 2地址指令为m条 0地址指令为n条 最多可以设计出1地址指令为28-m-n条=256-m-n条 例4：计算机指令长度为20位，有2地址指令，1地址指令，0地址指令。地址 码长度6位，若m条2地址指令，n条0地址指令，问此时该计算机最多可以设 计出多少条1地址指令。 解： 地址码操作码地址码 6620-12=8 2地址指令的操作码字段为8位， 2地址指令为m条 因此，剩余的8位定义的指令条数为28-m， 设最多可设计的1

13、地址的指令为y条 据题意，理论可以设计1地址的指令数为（28-m）x26 可以设计0地址的指令数为（28-m）x26- y x26 由于0地址指令为n条，因此（28-m）x26- y x26 =n 最多可以设计出1地址指令为y= （28-m）x26- n/26 4.2 指令格式（续） 二、地址码 根据一条指令中有几个操作数地址，指令有常被称为 几地址指令。 早期计算机中的指令一般有被操作数、操作数、操作 结果，因此就形成了三地址指令格式，这个也是早期 计算机指令的基本格式 在地址指令格式基础上，后来又发展了二地址、一地 址和零地址指令格式 4.2 指令格式（续） 二、地址码 1、零地址指令 指

14、令格式： 特点：指令中只有操作码，没有地址码 2、一地址指令 指令格式： 特点：指令中只给出一个地址，该地址既是操作数地址，又是操作结 果存储地址。 3、二地址指令 指令格式 特点：指令中给出两个源操作数的地址，其中一个还用于存放结果的 目标地址。 4、三地址指令 指令格式 特点：指令中要三个操作数地址。 opcode opcode opcode opcode A2 A A1 A3A2A1 4.2 指令格式（续） 三、二地址指令格式分类 1、存储器存储器（SS）型指令： 是一种访问内存的指令格式 参与操作的数都放在内存里，从内存某单元取操作数，操作结果 存放至内存另一单元 执行这种指令需多次访

15、问内存 2、寄存器寄存器（RR）型指令 是访问寄存器的指令格式 参与操作的数都放在寄存器里 指令执行不需访问内存，执行速度快 3、寄存器存储器（RS）型指令 执行此类指令，既要访问内存单元，又要访问寄存器。 4.2 指令格式（续） 四、举例 1、指令格式如下，分析其特点。 解析 根据指令字长度与机器字长度的关系说明指令的类型 根据操作数地址个数说明该指令是几地址指令 根据指令操作码字段位数说明可以指定的指令条数 如果是二地址指令，需说明进一步指出二地址指令格式类型 1）单字长（为什么？）二地址指令（为什么？ ） 2）操作码字段7位，可以指定27=128条指令 3）RR型指令（为什么？ ），源寄存器和目标寄存器可分别指定 16个（为什么？ ） OPCODE 源寄存器目标寄存器 15 9 7 4 3 0 2、 解 操作码字段为6位，可指定26=64种操作，即64条指令。 单字长(32位）二地址指令。 一个操作数在源寄存器中（共32个通用寄存器），寄存器由18-22位 字段编址 另一个操作数在存储器中，存储器地址由变址寄存器（共4个）内容 加偏移量决定。变址寄存器可由16-17位字段编址。 该指令是RS型指令，用于访问存储器。 （1）OP字段指定16种