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