CPU

指令：

　　

 

 

 

 

 　　　　操作码字段：

　　　　　　操作数类型：

　　　　　　　　即指令要处理的数据的类型

　　　　　　　　

 

 

 　　　　　　　　　　　　这些数据在存储器中的存储方式为何？可以到存储器那章去复习

　　　　　　

　　　　　　　操作类型：

　　　　　　　　1.数据传送

　　　　　　　　　　

 

 

 

　　　　　　　　2.算数逻辑操作

　　　　　　　　　　

 

 

 

 　　　　　　　　　　　　 3.移位操作

　　　　　　　　　　

 

 　　　　　　　4.转移

　　　　　　　　　　

 

 

 　　　　　　　　　　　　5.调用和返回

　　　　　　　 6.陷阱（中断）

　　　　　　　 7.输入输出

 

寻址方式：

　　思考为何要这么多的寻址方式？

　　指令寻址：

　　　　指令只保存在主存储器中，所以指令寻址一定要到主存储器中去找

　　　　同时指令个数一般比较少，所以可以看出指令寻址的方式也比较少

　　　　

 

 

 　　　　　　  这个顺序 （PC）+1->PC

　　　    的+1 应该写成+X比较好

　　　　这个X的大小是当前指令占主存单元数量

 

　　  数据寻址：

　　　　EA为有效地址，A表示形式地址

　　　　

 

 

 

 

　　　　数据即可能保存到寄存器中，也可能保存到主存任意一个合法空间中

　　　　可以看到接下来许多的寻址方式：

　　　　　　

　　　　　   直接寻址：

　　　　　　　　

 

 

 

 

　　　　　　　　　EA=A，到主存中找到A这个地址，然后将操作数传输到ACC

　　　　　　　　　这种形式地址码十分难修改

　　　　　　　　　而且地址码的长度也不会很长，即A的位数不会很长，寻址范围不会很大

 

 

 

　　　　　　立即寻址：

　　　　　　　　

 

 

 　　　　　　　　　　　　　　其立即数A本身随着指令就在CPU中，可以不用访存

 

 

　　　　　　　　隐含寻址：

　　　　　　　　

 

 

 　　　　　　　　　　　　　　　其中一个操作数隐含在ACC（累加器）中，另一个操作数需要到存储器中找

 

　　　　　　　　

　　　　　　　　小总结：

　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　上述的方法，其中在地址码中的A,

　　　　　　　　　  要不就是操作数，要不就是直接指向主存中的地址

　　　　　　　　　　当地址码长度一小，很难办

　　　　　　　　　　同时，A难以修改，灵活度小，即难以编制程序

　　　　　　　　　　下面的寻址方式中通过存储器作为中介，实现了容易编制程序的寻址

　　　　　　

　　　　　　　　间接寻址：

　　　　　　　　　　

 

 

 　　　　　　　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　　　如下是程序调用与返回的案例，

　　　　　　　　　　 通过间接寻址的方式，即利用A保存的是真正地址

　　　　　　　　　　 通过A地址中保存的真正地址进行跳转

 

　　　　　　　　　　　　　　

 

 

 

 

 

　　　　　　　　　寄存器寻址：

　　　　　　　　　　

 

 

 　　　　　　　　　　　　　　　　　　寄存器个数较少，即使地址码较短也没关系

　　　　　　　　　　　

 

　　　　　　　　　　寄存器间接寻址：

　　　　　　　　　　

 

 

 　　　　　　　　　　　　　　　　我们想要修改操作数的地址，只要修改寄存器中保存的地址

　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　基址寻址：

　　　　　　　　　　

 

 

 

 

　　　　　　　　　　　　BR是基址寄存器的起始地址，A是偏移量

　　　　　　　　　  A可进行改变

 

　　　　　　　　变址寻址：

　　　　　　　　　　

 

 

 　　　　　　　　　　　　　　　　　　与基址寻址不同的是，IX容易变，A不可变

　　　　　　　　　　　如果对数组进行操作，A是数组的起始地址

　　　　　　　　　　  IX可以是下标

　　　　　　　　　　与直接寻址的比较：

　　　　　　　　　　　　

 

 

 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　直接寻址一条指令只能指明一个数据

　　　　　　　　　　　　　而变址寻址可以通过循环对IX进行变动，达到遍历目的

　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　相对寻址：

　　　　　　　　　

 

 

 

 

 

 

 　　　　　　　　　　　　　　　　　　A是偏移量

　　　　　　　　　　　注意PC中的值是在取完一个指令，还没等这条指令运行就变动的

　　　　　　　　　　　　

 

 

 

 

　　　　　　　　　　堆栈寻址：

　　　　　　　　　　

 

 

 　　　　　　　　　　　　　　　　　　要注意的是SP是从栈底往栈顶中，地址的编码大小不断减小的

　　　　　　　　　　

 

CPU的功能

 

 

 

 

CPU总体框架

 

 

 

 　　解释：

　　　　根据CPU的功能得出CPU的结构

　　　　1.由于需要到主存中取得指令，需要知道指令的地址，其保存到PC中，

　　　　　PC的值的改变是在取指周期中进行的

　　　　　同时指令需要在CPU中暂时保存，其保存在IR（指令寄存器）中

　　　　2.操作和时序的控制都需要CU（控制器）来实现

　　　　　同时CU和操作都受到时序的影响

CPU的寄存器：

　　

 

 

 　　　解释：

　　　　MAR是主存地址寄存器：

　　　　　　其在CPU中的作用是：

　　　　　　　　将要访存的地址先保存到MAR中，然后MAR中的数据放到地址总线中

　　　　　　　　地址总线再给主存发送信息（打通信息传输通道一样的感觉）

　　　　MDR是主存数据寄存器：

　　　　　　在CPU中的作用是：

　　　　　　　　将主存中通过数据总线发送过来的数据保存到MDR中

　　　　

 

运算器基本结构

 

 

控制器的基本结构

 

 

　　 控制单元的输入信号：

　　　　

 

 

 　　控制单元的输出信号：

　　　　

 

 

 　　　控制信号的发出：

　　　　不采用CPU内部总线的方式：

　　　　　　

 

 

 　　　　　　采用CPU内部总线的方式：

　　　　　　

 

 

 

 

　　　　　　　　　　

 

 

 

指令执行过程

指令周期：

 

 　　　　解释：

　　

　　　　对于间址周期的解释：

　　　　　　如果只有取指周期和执行周期，那么一般

　　　　　　取指周期时就将操作数保存到了CPU中，

　　　　　　执行周期时就直接将操作数拿过来进行操作

　　　　　　或者是再访问一次主存将真正的数据拿过来

 

　　　　　　但是根据指令那章我们知道，我们还要间接寻址和基址寻址等方式

　　　　　　在指令中的操作数部分不是直接的数据地址或数据

　　　　　　为了找到真正的数据，我们还需要多次访存

　　　　　　如果将这些时间算入执行周期，那么执行周期会十分长

　　　　　　于是我们有了间址周期

 

　　　　　　间址周期干的事就是找到有效地址

　　　　　　到了执行周期我们就用有效地址在访问一次主存，

　　　　　　找到真正的数据

　　

 

　　　　　　时钟周期：又称为振荡周期，由单片机片内振荡电路OSC产生，常定义为时钟脉冲频率的倒数，是时序中最小的时间单位。

　　　　　　　　它控制着计算机的工作节奏，使计算机的每一步工作都统一到它的步调上来。

　　　　　　　　显然，对同一种机型的计算机，时钟频率越高，计算机的工作速度就越快。

 

　　　　　　机器周期：也称为CPU周期。在计算机中，为了便于管理，常把一条指令的执行过程划分为若干个阶段（如取指、译码、执行等），

　　　　　　　　　　每一阶段完成一个基本操作。

　　　　　　　　　　完成一个基本操作所需要的时间称为机器周期。一般情况下，一个机器周期由若干个时钟周期组成。

 

　　　　　　指令周期：CPU每取出一条指令并执行这条指令，都要完成一系列的操作，

　　　　　　　　　　　　这一系列操作所需要的时间通常叫做一个指令周期。

　　　　　　　　　　　　换言之指令周期是取出一条指令并执行这条指令的时间。

　　　　　　　　　　　　由于各条指令的操作功能不同，因此各种指令的指令周期是不尽相同的。

　　　　　　　　机器周期：

　　　　　　

　　　　　　　　解释：

 

　　　　　　　　　　注意：这里机器周期的概念：所以指令执行过程中的一个基准时间

　　　　　　　　　　　　　而不是理解成 所以指令执行过程的总时间

　　　　　　　　　　　　　这个基准时间是：所有微操作中最复杂的操作所要花费的时间

　　　　　　　　　　　　　一般访存是最花时间的，所以

 

 

 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　

 

 　　　　　　　　　　时钟周期:

　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　　　

 

 

 

 

 

 

工作周期的标志：

　　　　

 

 

　　　　解释：

　　　　　CPU有四种情况下会进行访存，

　　　　　为了知晓是哪一种情况下访存（或者说这一次访存的目的是什么）

　　　　　我们要打上标记

　　　　

 

 

 

取指周期的操作

 

　　　　解释：

　　　　注意：PC是在取指周期最后进行+1

　　　　

　　　　在以微程序设计的CU中：

　　　　同时一般我们说的 微操作(命令) 其实就是 如：

　　　　　　(1)（PC）-> MAR 　　1->R

　　　　　    (2)   M（MAR）-> MDR

　　　　　　(3)  (MDR)->IR　　 (PC)+1->PC　　

　　　　　　(1),(2),(3)就是微指令了,微指令包含多个微操作

 

 

间址周期操作：

 

 

　　解释：

　　　　Ad()的含义是：取地址码部分

　　　　　　　　　　　因为我们知道IR是指令寄存器，IR中保存的是指令

　　　　　　　　　　　指令包括操作码，操作数（地址码）部分

　　　　　　　　　　　Ad（）就是取指令中的地址码部分

　　　　Op()同理，取指令中的操作码部分

 

 

执行周期的操作：

　　不同指令的执行周期不同

　　　　不同的操作指令：

　　　　　　非访存指令：

　　　　　　　　

 

 

 

 

 

 

　　　　　　　　解释：

 

　　　　　　　　　　CLA 清除ACC中的数据的指令

 

　　　　　　　　　　COM是对ACC中的数据每一位取反（二进制下）

 

　　　　　　

 

 　　　　　　　　　　访存指令：

　　　　　　　　

 

 

　　　　　　　　

 

 

 

　　　　　　解释：

 

　　　　　　　　加法指令其表示要将指令中地址码中受指向的数据与ACC中的数相加

 

　　　　　　　　为了取得地址码中受指向的数据，则要进行访存

 

　　　　　　

 

　　　　　　　　存数指令即将数X保存到指定存储器中

　　　　

　　　　　　　　取数指令即将数据取得保存到ACC中

 

 

 

 

 　　　　　　　　      转移指令：

　　　　　　

 

 

 

 

 

 

中断周期的操作

 

 

　　　　解释：

　　　　　中断周期操作包括三部分：

　　　　　　1.保存断点

　　　　　　　　即保存PC中的数据到主存中，PC中的数据是原来下一次执行指令的地址

　　　　　　　　CU给出要保存到主存中的地址

　　　　　　2.形成中断服务程序的入口地址

　　　　　　　　由CU给出，用来指明下一次执行的指令是什么

　　　　　　3.硬件关中断

　　　　

 

指令执行方案

 

　　　　指令流水线:

　　　　　吞吐率：

　　　　　　

 

 

 　　　　　　　　　　解释：

　　　　　　　　我们这里是假设满负载运作，每就会出一个结果

 

 

 　　　　　　　　　　　　　　

　　　　　　　　　　　　　　在结合这张图来看

　　　　　　　　　　实际吞吐率是开始需要,然后每经过就会出一个结果

 

 

　　　　　　　　　　所以结果为

 

 

　　　　加速比：

 

 

 

 　　　　　　　　

 

 　　　　　　　　

　　　　　　效率：

　　　　　　　　

 

 

控制器的设计方案

概念梳理：

 

　　

 

 

　　解释：

　　　　微指令上的1/0，代表某一个微操作是否需要执行，1表示执行，0表示不执行

 

 

 

 

 

 

《控制存储器的构造》

 

 

　　解释：

 

　　　　如图为取指周期的微指令（（1），（2），（3））

 

 

　　　　　　每一个微指令中都包含了一个或多个微操作（命令）

　　　　　　通过微指令中的01表示出来

　　解释：

 

　　　　因为某个周期要做的事有些是固定的，则取完一条微指令后

 

　　　　可以通过顺序取下一条微指令

　　　　如取指周期

　　　　　　为了取指

　　　　　　第1条微指令要干的微操作就是(PC)->MAR,1->R

　　　　　　紧接其后的第2条就是要M(MAR)->MDR

　　　　　　.....

 

　　　　所以可以看到

 

 

　　　　这里的xxx,表示无法确定下一条微指令是啥

 

　　　　比如这里取指周期最后一条微指令的下地址为xxx

 

　　　　因为要执行下一条微指令是要根据指令的操作码部分来决定的

 

 

 

　　　　同时，执行周期要干的事，如这里的LDA操作

 

　　　　其最后一条微指令的下地址为M，即干完后接着取下一条指令（再进入取指周期）

 

 

 

 

 

《控制单元的构造》　　　　　　

 

 

 

 

 

 

　　解释：

　　　　CMAR为控制存储器地址寄存器

　　　　CMDR为控制存储器数据寄存器

　　　　微指令基本格式中

 

 

　　　　顺序控制给出了下一条微指令在控制存储器中的地址

 

 

 

　　　　顺序逻辑用来决定最终下一条微指令在控制存储器中的地址

 

 

 

　　　　微地址形成部件是通过指令操作码来产生初始微指令地址

 

 

 控制单元的工作过程

 

　　

 

 

 

 

 

 

 

 《微指令的格式》

 

 

 

 

 解释：

　　　　水平型微指令其编码方式是通过二进制下某一位为0/1来决定是否执行某一个微操作

　　　　　　所以水平型微指令会较长一点

　　　　　　但是其能够并行完成微操作，所以微程序会更短一点

　　　　垂直型微指令其编码方式是通过n位二进制位有2^n种状态，每一个状态来决定一个微操作

　　　　　　所以垂直型微指令会较短一点

　　　　　　但是其不能并行执行微操作，所以其微程序会更长一点

 

 

 《水平微指令的编码》

《直接编码》

 

 

 《字段直接编码》

 

　　　 互斥性微命令分在同一段内，相容性微命令分在不同段内，

　　这是因为通过译码每一次只有一个微命令可以执行，

　　如果将互斥微命令分在不同一段内则可能会导致微命令的互斥，

　　也会导致本来可以同时进行的微命令而不会同时进行

　　这个设计思想的核心是以如n位二进制可以表达2^n的状态，则这一点可以用来表示2^n的微命令

 

《字段间接编码方式》

 

 

 

 

 《微指令的地址形成方式》

 

 

 

 

 

写题记录：

　　

 

 　　　　解：

　　　　对于第4问很容易答成：通过CU来识别主存储器

　　　　　　这里要说明具体是如何识别的