计算机组成与设计 计算机的核心部件--处理器

• 条件码建立与转移判断：
– ①在转移指令中先完成比较运算，然后根据比 较的结果来判断转移条件是否成立，如果条件 为“真”则转移，否则顺序执行下一条指令。 – ②由转移指令之前的指令来建立条件码，转移 指令根据条件码来判断是否转移。 – 条件码：进位C、结果为零Z、结果溢出V、结 果为负N、奇偶校验P。
• 指令格式
操作码 操作数地址
• 操作码指本条指令执行什么操作。 • 地址码指明操作数的来源(源地址)与运算结 果的去向(目的地址)。
字长与指令长度的关系
• 字长是指计算机直接处理二进制数据的位 数。 • 通常机器字长/指令长度都是字节长度的整 数倍。 • 指令长度=f(操作码长度, 操作数地址长度, 操作数地址的个数)
4.2 信息存储
• 内存的地址是按字节编址。 • 处理器字长一般是8b、16b、32b、64b等之 一，是字节的整数倍。 • 设机器字长为32(4B)位，计算机的指令和数 据可以是字节、半字(16位)、字(32位)、双 字(64位) 。在内存中如何存取呢？
– 填鸭式的存储(不要求对准边界)。只要有空字 节就可以存。 – 要求对准边界。按信息的整数边界原则进行存 储。优点是便于硬件实现。缺点是浪费了存储 空间。
半字(地址12) 字节(地址17) 字节(地址16)
(b)多字节数据对准边界 图 存储器中数据的存放(举例)
• 信息的整数边界原则： 指信息的地址(按字节编址，用存放信息 低８位的字节地址表示)必须是该信息宽度 (字节数)的整数倍。 • 各种宽度的信息地址： 字节地址 ·· ·XXXX 半字地址 ·· · ·XXX0 · 字地址 ·· ·XX00 双字地址 ·· · ·X000 · 其中X为任意二进制数码。
• 一种方法如下：
(1)15条三地址指令 0001 … 1111 0000
(扩展到A1)
(3)15条一地址指令 0000 0000 0001 … 0000 0000 1111 0000 0000 0000 (操作码扩展到A3) (4)16条零地址指令 0000 0000 0000 0000 … 0000 0000 000 01111
– 指令的长度不一定是相等的。
• 指令长度与机器字长没有固定的关系，它 既可以小于或等于机器字长(短格式指令)， 也可以大于机器字长 (长格式指令)。
• 一条指令存放在连续的存储单元中。 • 地址码的长度决定了指令直接寻址的能力， 若为n位，则给出的n位直接地址可寻址2n个 存储单元。 • 扩大寻址能力的方法：
堆栈及堆栈操作指令
• 堆栈是由若干个连续存储单元组成的先进后 出存储区，所有的数据操作都在栈顶进行。 • 栈底是固定不变的，而栈顶是随着数据的入 栈和出栈在不断变化。 • 可以用一个寄存器或存储器单元指出栈顶的 地址，这个寄存器或存储器单元称为堆栈指 针SP。
• 用于堆栈访问的指令


(1)压栈指令(PUSH)是把指定的操作数送入堆栈 的栈顶。 (2)弹出指令(POP)是把栈顶的数据取出，送到 指令所规定的目的地。 向下生长的栈－－从高地址向低地址扩展。 向上生长的栈－－从低地址向高地址扩展。
字(地址2) 字节(地址７) 字节(地址6)
半字(地址0) 字(地址4)
半字(地址10)
半字(地址８)
字节(地址15) 字节(地址14) 字节(地址13) 字节(地址12) (a)不要求对准边界 半字(地址0) 半字(地址10) 字(地址4) 字节(地址9) 字节(地址8)
字节(地址15) 字节(地址14)
I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7
45% 28% 17% 5% 3% 1% 1%
00 01 10 1100 1101 1110 1111
2位 2位 2位 4位 4位 4位 4位
• 对于不同数据类型的操作应当用不同的操 作码，如整数加法和浮点加法应当使用不 同的操作码，视为不同的指令。 • 按指令的功能分类，可分为 • 1、算术逻辑运算指令
4.1 处理器的工作过程简介
• CPU的执行过程： 首先将程序和数据输入计算机的存储器 中，然后从内存中“程序入口(程序执行的 第一条指令的地址)”开始依次取出指令和数 据，并根据指令的要求对数据进行加工处 理，得到需要的结果后，结束运行。 • 因此，控制器控制程序的执行过程实际上 是控制指令的执行过程。
– 算术运算：整数和浮点数的加、减、乘、除等。 – 表征结果的特征：Z,C,V,N – 逻辑运算：与、或、非(反)、异或等，及位操 作指令，如位测试、位清除、位求反等。
• 2、移位操作指令
– 按移位性质分为： 算术移位(需考虑溢出) 逻辑移位 循环移位 – 按移位方向分为： 左移 右移， – 按移位位数分为： 一位 多位 – 算术移位、逻辑移位和循环移位如下图。
• (2)可变格式，即操作码的长度可变，且分散 地放在指令字的不同字段中。
– 优点：能够有效地压缩程序中操作码的平均长度， 节省存储器空间，缩短了经常使用的指令的译码 时间。在微型机上广泛使用。 – 缺点：增加指令译码和分析的难度，使控制器的 设计复杂化，需要更多的硬件来支持。
• 指令可变格式的做法
– (1)通过增加机器字长来增加地址码的长度； – (2)采用地址扩展技术，把存储空间分成若干个 段，用基地址加位移量的方法(见寻址方式)来 增加地址码的长度。
4.3.1 操作码
• 若某机器的操作码长度为K位，则它最多只 能有2K条不同的指令。 • 指令操作码的编码格式： • (1)固定格式，即操作码的长度固定，且集 中放在指令字的一个字段(若干连续位)中。 • 例如操作码长度为8位，则最多可有28=256 条指令。 • 优点：简化硬件设计，减少指令译码时间， 在大中型机和超级小型机及RISC上广泛采 用。
(2)15条二地址指令 0000 0001 … 0000 1111 0000 0000
(操作码扩展到A2)
• 扩展操作码的原则: 使用频率(指指令 在程序中的出现概率) 高的指令应分配短的操 作码；反之分配较长的 操作码。 • 应考虑操作码的规整性， 否则会引起硬件实现复 杂。
表 指令出现概率与 操作码长度的选择 指 概率Pi 操作 操作码 令 码 长度
• 有些机器设置了数据交换指令。
半字节交换
8 9
9 8
•4、转移类指令 •用于控制程序流的转移。
• 按转移性质分为 • (1)无条件转移
– 无条件转移指令不受任何条件约束，直接把程序 转移到指令所规定的目的地，在那里继续执行程 序。
• (2)条件转移指令
– 是根据计算机的处理结果来决定程序如何执行。 它先测试条件码，然后根据所测试的条件是否满 足来决定是否转移。
对指令系统的要求
• 一条指令必须包含下列信息。 • (1)操作码。说明操作的性质及功能，具有 唯一性。通过识别该操作码来完成不同的 操作。 • (2)操作数地址。可以直接给出操作数或者 指出操作数的存储器(寄存器)地址。 • (3)操作结果的存储地址。 • (4)下一条指令的地址。当程序顺序执行时， 下一条指令的地址由程序计数器(PC)指出； 仅当改变程序的执行顺序时，下条指令的 地址才由指令给出。
• 问题：如何区分内存中某单元的内容是数 据还是指令？
– 一般用户无法区分； – 程序员可以事先安排好； – 处理器在取指令周期取出的是指令，否则取出 的是数据。
• 处理器支持的指令集构成了该处理器的指 令系统。指令系统功能越强，处理器也就 功能越强。
• 指令系统分类
–精简指令系统的计算机RISC，其特点是：提供数 目较少、格式与功能简单、运行高效的指令，追 求的是计算机控制器实现简单，运行高速，更容 易在单块超大规模集成电路的芯片内制做出来。 –复杂指令系统的计算机CISC, 其特点是：指令条 数多，格式多样，寻址方式复杂，每条指令的功 能强，优点是汇编程序设计容易，但控制器实现 困难，很多指令被使用的机会并不多。
4.3 指令格式(机器码格式)
计算机的指令系统对计算机本身的硬件 结构的复杂程度和运行性能，对用户完成 程序设计的难易程度和工作效率，有非常 重要的影响，必须对设计指令系统的工作 给以足够的重视。
完备性: 指令齐全，编程方便 高效性：占内存少，运行省时 规整性：指令与运算规则统一 兼容性：新旧机指令软件兼容
算术移位 左移
右移 循环移位
C
逻辑移位 0 左移 C
右移 0 C
源自文库
0
C
小循环移位 左移
右移
C
C
大循环移位 左移
右移 图5.10 移位操作
C
C
• 3、数据传送指令 • 实现数据传送： 寄存器—寄存器 寄存器—存储器单元 存储器单元—存储器单元 寄存器—外设(接口) • 对于存储器(寄存器)来讲，数据传送包括了 对一个或一批数据的读或写操作。 • 数据传送时，数据从源地址传送到目的地 址，而源地址中的数据保持不变。
• 由于程序(指令序列)预先存放在存储器中， 所以指令执行的过程分为取指令和执行指令。 如下图。
• 假设程序和数据已经存放在内存中，执行 指令执行步骤如下(要求记下来)：
– 根据程序计数器PC的内容从内存中取出一条指 令，放置于指令寄存器IR中。 – 分析IR中的操作码，决定应执行的操作。 – 根据IR的地址码取出参加运算的操作数。 – 对操作数进行运算。 – 根据IR的地址码把运算结果存放指定地址。 – 本条指令执行完毕，修改PC内容决定下一条指 令所在的地址。
• 转移地址形成：
– ①相对转移，即执行PC←(PC)+位移量， – ②绝对转移，即PC←目标(有效)地址。
• (3)调用指令与返回指令 • 在编写程序过程中，常常需要编写一些经 常使用的，能够独立完成某一特定功能的 程序段，在需要时能随时调用，以节省存 储器空间和简化程序设计。这种程序段就 称为子程序、过程、函数。 • 通常使用调用指令(过程调用/系统调用/转子 程序) 来实现从一个程序转移到另一个程序 的操作。
• 提高计算机速度的途径
– 提高集成电路工艺水平，缩短门电路的延迟时 间，提高处理器的时钟频率。 – 改进设计(如采用流水线和并行技术)，提高单 个处理器的运算速度。 – 使用多个处理器并行工作，提高整个计算机的 运算速度。
• 本章先介绍单个处理器的工作原理，并以 简化的处理器模型为实例介绍其设计方法。
– 在指令字中用一个固定长度的字段来表示基本操 作码，而对于一部分不需要某个地址码的指令， 把操作码扩充到该地址字段。
• 例如设某机器的指令长度为16位，包括4位 基本操作码字段和三个4位地址字段，其格 式如下：
15 12 11 8 7 4 3 0
OP
A1
A2
A3
• 如果需要61条指令，其中三地址指令15条， 两地址指令15条，一地址指令15条，零地址 指令16条，应如何安排操作码？
• 按栈的生长方向，堆栈分：

• 设栈为向下生长的栈，且按字节编址，操作数为2 字节。 压栈指令 弹栈指令 PUSH OPD POP OPD 其操作是 (SP)-２→SP 其操作是 ((SP))→OPD OPD→(SP) (SP)+２→SP
• 子程序调用与条件、无条件指令的主要区别：
– 子程序调用需要保存返回地址，即返回到原调 用的程序继续执行子程序调用指令的下一条指 令。 – 返回地址一般保存在堆栈中，随同保存的还有 状态寄存器。 – 返回Return指令从堆栈中取出返回地址。
• (4)陷阱(Trap)与陷阱指令 • 在计算机运行过程中，有时可能出现电源电 压不稳、校验错、输入/输出设备出现故障、 非法操作码等意外情况，使得计算机不能正 常工作，若不及时采取措施处理这些故障， 将影响到整个系统的正常运行。因此，一旦 出现故障，计算机就发出陷阱信号，并暂停 当前程序的执行(称为中断)，转入故障处理 程序进行相应的故障处理。 • 陷阱指令一般作为隐含指令不提供给用户使 用，只有在出现故障时，才由CPU自动产生 并执行。
第4章
计算机的核心部件—处理器
学习指南
• 中央处理器(CPU) 由运算器和控制器组成(集 成在一个芯片上)。 • 掌握控制器的工作原理、逻辑设计要点为目 标。 • 掌握计算机运行过程中各硬件部件的作用。 • 掌握控制器控制各个部件的工作过程及实现 方法。 • 控制器可以分为硬连线控制器和微程序控制 器两大类。本章将结合EDA工具介绍CPU的 设计，达到事半功倍的效果。