计算机组成原理教案

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1、教 案20122013学年 秋 学期教 研 室：软件与理论教研室课程名称： 计算机组成原理 课程类型: 专业基础 课程代码: 0809008b2 授课班级：计1101、计1102 教师姓名： 苏 富 林 职 称： 讲师 甘肃民族师范学院计算机科学系制课程名称计算机组成原理总 计： 90 学时课程类型专业基础课学分6理 论 讲 授： 60 学时实验（实训）： 30 学时任课教师苏富林职称讲师授课对象专业： 计算机科学与技术 班级1： 111 班级2：112 教材信息计算机组成原理 第二版 罗克露 电子工业出版社参考资料计算机组成原理 第四版 白中英 科学出版社计算机体系结构 第二版 张晨曦 高等

2、教育出版社教学目标计算机组成原理是计算机专业的一门核心专业基础课，本课程从普遍性和原理性出发，讲述计算机硬件系统的组成、各部件的结构及工作原理，使学生从普遍原则和典型案例两个角度理解计算机的组织与结构和工作过程，掌握计算机的硬件系统的设计方法。培养学生具有分析、设计和开发计算机硬件系统的能力，为后续课程打下坚实的基础。重 点与难 点重点： 计算机系统的硬件结构 中央处理器 控制单元难点： 总线控制 存储器工作原理 计算机的运算方法 CPU的结构和功能 微程序控制器的设计内容课时分 配章内容学时数1计算机系统概论42数据在计算机中的表示方法83中央处理器244存储器125系统总线46输入输出系统

3、8注：课程类型：通识课、专业基础课、专业发展课、专业方向课、职业技能训练课、实习实践课、实验课。教 案 正 页 课程名称：计算机组成原理任 课 教 师总课序第1次授 课时 间第1周第1次课撰写（修改）稿2012年3月5日讲 课 内 容第5章课 题系统总线课时安排4课时授课方式 理论课 讨论课 实践课 实验课 习题课 其 他教 具准 备黑板、多媒体演示教 学目 的1.了解计算机的分类与应用范围。2.掌握计算机的硬件,软件组成及各部件功能,理解计算机基本工作原理。3.了解计算机软硬件发展历程及前景。教 学重 点软件的组成，多级组成的计算机系统，冯诺依曼思想，程序局部性原理。教 学难 点教 学 基

4、本 内 容教学手段及时间分配复习旧课： 引入新课：计算机系统概论新课内容：1.计算机系统的分类和应用。计算机系统的发展状况、应用领域和发展方向，计算机系统的分类（Flynn分类法）。2.计算机系统的组成，计算机系统的硬件组成，计算机系统的基本启动过程。3.计算机系统的层次结构板书纲要：1.计算机系统的分类和应用（1学时）。2.计算机系统的组成（1学时）。3.计算机系统的层次结构（2学时）。(一) 计算机发展历程第一台电子计算机ENIAC诞生于1946年美国宾夕法尼亚大学.ENIAC用了18000电子管,1500继电器,重30吨,占地170m2,耗电140kw,每秒计算5000次加法.冯诺依曼(

5、VanNeumann)首次提出存储程序概念,将数据和程序一起放在存储器,使编程更加方便.50年来,虽然对冯诺依曼机进行很多改革,但结构变化不大,仍称冯诺依曼机.一般把计算机的发展分为五个阶段:发展阶段时间硬件技术速度/(次/秒)第一代1946-1957电子管计算机时代40 000第二代1958-1964晶体管计算机时代200 000第三代1965-1971中小规模集成电路计算机时代1 000 000第四代1972-1977大规模集成电路计算机时代10 000 000第五代1978-现在超大规模集成电路计算机时代100 000 000 ENIAC(Electronic Numerical Int

6、egrator And Computer)电子数字积分机和计算机 EDVAC(Electronic Discrete Variable Automatic Computer)电子离散变量计算机 组成原理是讲硬件结构的 系统结构是讲结构设计的 摩尔定律 微芯片上的集成管数目每3年翻两番.处理器的处理速度每18个月增长一倍. 每代芯片的成本大约为前一代芯片成本的两倍 新摩尔定律 全球入网量每6个月翻一番. 数学家冯诺依曼(von Neumann)在研究EDVAC机时提出了“储存程序”的概念.以此为基础的各类计算机通称为冯诺依曼机.它有如下特点:计算机由运算器,控制器,存储器,输入和输出五部分组成指

7、令和数据以同等的地位存放于存储器内,并可按地址寻访指令和数据均用二进制数表示指令由操作码和地址码组成,操作码用来表示操作的性质,地址码用来表示操作数在存储器中的位置指令在存储器内按顺序存放机器以运算器为中心,输入输出设备与存储器间的数据传送通过运算器完成图中各部件的功能运算器用来完成算术运算和逻辑运算并将的中间结果暂存在运算器内存储器用来存放数据和程序控制器用来控制,指挥程序和数据的输入,运行以及处理运行结果输入设备用来将人们熟悉的信息转换为机器识别的信息输出设备将机器运算结果转为人熟悉的信息形式运算器最少包括3个寄存器(现代计算机内部往往设有通用寄存器)和一个算术逻辑单元(ALU Arith

8、metic Logic Unit).其中ACC(Accumulator)为累加器,MQ(Multiplier-Quotient Register)为乘商寄存器,X为操作数寄存器,这3个寄存器在完成不同运算时,说存放的操作数类别也各不相同.计算机的主要硬件指标 (4.a) 主机完成一条指令的过程以取数指令为例(4.b) 主机完成一条指令的过程以存数指令为例(二) 计算机系统层次结构1. 计算机硬件的基本组成计算机硬件主要指计算机的实体部分,通常有运算器,控制器,存储器,输入和输出五部分.CPU是指将运算器和控制器集成到一个电路芯片中.2. 计算机软件的分类计算机软件按照面向对象的不同可分两类:系

9、统软件:用于管理整个计算机系统,合理分配系统资源,确保计算机正常高效地运行,这类软件面向系统.(包括:标准程序库,语言处理程序,OS,服务程序,数据库管理系统,网络软件)应用软件:是面向用户根据用户的特殊要求编制的应用程序,这类软件通常实现用户的某类要求.3. 计算机的工作过程(1)计算机的工作过程就是执行指令的过程 指令由操作码和操作数组成:操作码地址码 操作码指明本指令完成的操作地址码指明本指令的操作对象(2)指令的存储 指令按照存储器的地址顺序连续的存放在存储器中.(3)指令的读取 为了纪录程序的执行过程,需要一个记录读取指令地址的寄存器,称为指令地址寄存器,或者程序计数器.指令的读取就

10、可以根据程序计数器所指出的指令地址来决定读取的指令,由于指令通常按照地址增加的顺序存放,故此,每次读取一条指令之后,程序计数器加一就为读取下一条指令做好准备.(4)执行指令的过程 在控制器的控制下,完成以下三个阶段任务:1)取指令阶段 按照程序计数器取出指令,程序计数器加一2)指令译码阶段 分析操作码,决定操作内容,并准备操作数3)指令执行阶段 执行操作码所指定内容(三) 计算机性能指标1. 吞吐量,响应时间(1) 吞吐量:单位时间内的数据输出数量.(2) 响应时间:从事件开始到事件结束的时间,也称执行时间.2. CPU时钟周期,主频,CPI,CPU执行时间(1) CPU时钟周期:机器主频的倒

11、数,TC(2)主频:CPU工作主时钟的频率,机器主频Rc(3)CPI:执行一条指令所需要的平均时钟周期(4)CPU执行时间:TCPU=InCPITC In执行程序中指令的总数 CPI执行每条指令所需的平均时钟周期数 TC时钟周期时间的长度3. MIPS,MFLOPS(1)MIPS:(Million Instructions Per Second) MIPS=指令条数执行时间106=InTe106=时钟频率CPI106=InInCPITc106=RcCPI106Te:执行该程序的总时间=指令条数/(MIPS106)In:执行该程序的总指令数Rc:时钟周期Tc的到数 MIPS只适合评价标量机,不适

12、合评价向量机.标量机执行一条指令,得到一个运行结果.而向量机执行一条指令,可以得到多个运算结果.(2) MFLOPS: (Million Floating Point Operations Per Second) MFLOPS=Ifn/(Te106)Ifn:程序中浮点数的运算次数MFLOPS测量单位比较适合于衡量向量机的性能.一般而言,同一程序运行在不同的计算机上时往往会执行不同数量的指令数,但所执行的浮点数个数常常是相同的.特点：1. MFLOPS取决于机器和程序两方面,不能反映整体情况,只能反映浮点运算情况2. 同一机器的浮点运算具有一定的同类可比性,而非同类浮点操作仍无可比性当前微处理器

13、的发展重点进一步提高复杂度来提高处理器性能通过线程进程级的并发性提高处理器性能将存储器集成到处理器芯片来提高处理器性能发展嵌入式处理器软件开发有以下几个特点1) 开发周期长2) 制作成本昂贵3) 检测软件产品质量的特殊性计算机的展望一、计算机具有类似人脑的一些超级智能功能 要求计算机的速度达1015/秒 二、芯片集成度的提高受以下三方面的限制 芯片集成度受物理极限的制约 按几何级数递增的制作成本 芯片的功耗、散热、线延迟计算机辅助设计CAD 计算机辅助制造CAM计算机辅助工艺规划 Computer Aided Process Planning CAPP计算机辅助工程 Computer Aide

14、d Engineering CAE计算机辅助教学 Computer Assisted Instruction CAI 科学计算和数据处理 工业控制和实时控制网络技术应用虚拟现实办公自动化和管理信息系统 Computer Aided DesignCAD,CAM,CIMS Computer Aided Manufacturing多媒体技术 Computer Integrated Manufacturing System人工智能,模式识别,文字/语音识别,语言翻译,专家系统,机器人布 置 作 业（书面作业、电子版作业）课后小结教 案 正 页 课程名称：计算机组成原理任 课 教 师总课序第2次授 课时

15、 间第2周第1次课撰写（修改）稿2012年3月5日讲 课 内 容第2章课 题数据的表示课时安排4课时授课方式 理论课 讨论课 实践课 实验课 习题课 其 他教 具准 备黑板、多媒体演示教 学目 的1. 掌握定点数和浮点数的表示方法,以及原码,反码,补码和移码表示。2.了解指令系统的发展与性能要求,掌握指令的基本格式、指令和数据的寻址方式。3. 掌握文字与字符串的表示方法。4. 理解内部总线的概念,分类及特点。教 学重 点数据的概念，数据的表示方法，指令格式，寻址方式教 学难 点数据的表示方法，指令格式，寻址方式教 学 基 本 内 容教学手段及时间分配复习旧课：计算机的基本组成引入新课：人和人之

16、间是如何交流的？新课内容：1.数据在计算机中的表示方法2.指令系统概述3.指令格式4.寻址方式板书纲要：实验讲解课堂讨论本讲共2课时，其中：1.数据在计算机中的表示方法（2学时）2.指令系统概述（2学时）3.指令格式（2学时）4.寻址方式（2学时）教 案 中 页(一) 数制与编码1. 进位计数制及其相互转换1)进位计数制进位计数制是指按照进位制的方法表示数,不同的数制均涉及两个基本概念:基数和权. 基数:进位计数制中所拥有数字的个数.权:每位数字的值等于数字乘以所在位数的相关常数,这个常数就是权.任意一个R进制数X,设整数部分为n位,小数部分为m位,则X可表示为:Xan-1rn-1 + an-

17、2rn-2 + + a0r0 + a-1r-1 + a-2r-2 + + a-mr-m(X)r = 2)不同数制间的数据转换 (1)二,八,十六进制数转换成十进制数 利用上面讲到的公式: (N)2=Di2i ,(N)8=Di8i, (N)16=Di16i,进行计算.(2)十进制数转换成二进制数通常要对一个数的整数部分和小数部分分别进行处理,各自得出结果后再合并.u 对整数部分,一般采用除2取余数法,其规则如下:将十进制数除以2,所得余数(0或1)即为对应二进制数最低位的值.然后对上次所得商除以2,所得余数即为二进制数次低位的值,如此进行下去,直到商等于0为止,最后得的余数是所求二进制数最高位的

18、值.u 对小数部分,一般用乘2取整数法,其规则如下:将十进制数乘以2,所得乘积的整数部分即为对应二进制小数最高位的值,然后对所余数的小数部分部分乘以2,所得乘积的整数部分为次高位的值,如此进行下去,直到乘积的小数部分为0,或结果已满足所需精度要求为止.(3)二进制数,八进制数和十六进制数之间的转换八进制数和十六进制数是从二进制数演变而来的:由3位二进制数组成1位八进制数;由4位二进制数组成1位十六进制数.对一个兼有整数和小数部分的数以小数点为界,小数点前后的数分别分组进行处理,不足的位数用0补足.对整数部分将0补在数的左侧,对小数部分将0补在数的右侧.这样数值不会发生差错.2. 真值和机器数真

19、值:数据的数值通常以正(+)负(-)号后跟绝对值来表示,称之为“真值”. 机器数:在计算机中正负号也需要数字化,一般用0表示正号,1表示负号.把符号数字化的数成为机器数.3. BCD码(Binary Coded Decimal以二进制编码的十进制码)在计算机中采用4位二进制码对每个十进制数位进行编码.4位二进制码有16种不同的组合,从中选出10种来表示十进制数位的09,用0000,0001,1001分别表示0,1,9,每个数位内部满足二进制规则,而数位之间满足十进制规则,故称这种编码为“以二进制编码的十进制(binary coded decima1,简称BCD)码”.在计算机内部实现BCD码算

20、术运算,要对运算结果进行修正,对加法运算的修正规则是: 如果两个一位BCD码相加之和小于或等于(1001)2,即(9)10,不需要修正; 如相加之和大于或等于(1010)2,或者产生进位,要进行加6修正,如果有进位,要向高位进位.4. 字符与字符串在计算机中要对字符进行识别和处理,必须通过编码的方法,按照一定的规则将字符用一组二进制数编码表示.字符的编码方式有多种,常见的编码有ASCII码,EBCDIC码等.1)ASCII码(American Standard Code for Information Interchange 美国信息交换标准码)ASCII码用7位二进制表示一个字符,总共128

21、个字符元素,包括10个十进制数字(0-9),52个英文字母(A-Z和a-z),34专用符号和32控制符号.2)EBCDIC码为Extended Binary Coded Decimal Interchange Code的简称,它采用8位来表示一个字符.3)字符串的存放向量存储法:字符串存储时,字符串中的所有元素在物理上是邻接的.串表存储法:字符串的每个字符代码后面设置一个链接字,用于指出下一个字符的存储单元的地址.5. 校验码Check Digit数据校验码是一种常用的带有发现某些错误或自动改错能力的数据编码方法.其实现原理,是加进一些冗余码,使合法数据编码出现某些错误时,就成为非法编码. 这

22、样,可以通过检测编码的合法性来达到发现错误的目的.合理地安排非法编码数量和编码规则,可以提高发现错误的能力,或达到自动改正错误的目的. 码距:码距根据任意两个合法码之间至少有几个二进制位不相同而确定的,仅有一位不同,称其码距为1.1)奇偶校验码(Parity Bit)WIKI (开销最小,能发现数据代码中一位出错情况的编码,常用于存储器读写检查或ASCII字符或其它类型的信息传输的检查)P216它的实现原理,是使码距由1增加到2.若编码中有1位二进制数出错了,即由1变成0,或者由0变成1.这样出错的编码就成为非法编码,就可以知道出现了错误.在原有的编码之上再增加一位校验位,原编码n位,形成新的

23、编码为n+1 位.增加的方法有2种: 奇校验:增加位的0或1要保证整个编码中1的个数为奇数个. 偶校验:增加位的0或1要保证整个编码中1的个数为偶数个. 2)海明校验码(Hamming Code)P100实现原理,在数据中加入几个校验位,并把数据的每一个二进制位分配在几个奇偶校验组中.当某一位出错就会引起有关的几个校验组的值发生变化,这不但可以发现出错,还能指出是哪一位出错,为自动纠错提供了依据. 假设校验位的个数为r,则它能表示2r个信息,用其中的一个信息指出“没有错误”,其余2r-1个信息指出错误发生在哪一位.然而错误也可能发生在校验位,因此只有k=2r-1-r个信息能用于纠正被传送数据的

24、位数,也就是说要满足关系:2rk+r+1 3)CRC校验码(Cyclic Redundancy Check 循环冗余校验)P144CRC校验码一般是指k位信息之后拼接r位校验码.关键问题是如何从k位信息方便地得到r位校验码,以如何从位k+r信息码判断是否出错. 将带编码的k位有效信息位组表达为多项式: Mx=Ck-1xk-1+Ck-2xk-2+Cixi+C1x+C0式Ci中为0或1.若将信息位左移r位,则可表示为多项式M(x).xr.这样就可以空出r位,以便拼接r位校验位. CRC码是用多项式M(x).xr除以生成多项式G(x)所得的余数作为校验码的.为了得到r位余数,G(x)必须是r+1位.

25、设所得的余数表达式为R(x),商为Q(x).将余数拼接在信息位组左移r位空出的r位上,就构成了CRC码,这个码的可用多项式表达为:M(x)xr+R(x)=Q(x)G(x)+R(x)+R(x) =Q(x)G(x)+R(x)+R(x) =Q(x)G(x)因此,所得CRC码可被G(x)表示的数码除尽.将收到的CRC码用约定的生成多项式G(x)去除,如果无错,余数应为0,有某一位出错,余数不为0. (二) 定点数的表示和运算1. 定点数的表示1)无符号数的表示 无符号数就是指正整数,机器字长的全部位数均用来表示数值的大小,相当于数的绝对值. 对于字长为n+1位的无符号数的表示范围为: 02n+1-12

26、)带符号数的表示 (真值范围-n-1n) 带符号数是指在计算机中将数的符号数码化.在计算机中,一般规定二进制的最高位为符号位,最高位为“0”表示该数为正,为“1”表示该数为负.这种在机器中使用符号位也被数码化的数称为机器数. 根据符号位和数值位的编码方法不同,机器数分为原码,补码和反码.(1)原码表示法机器数的最高位为符号位,0表示正数,1表示负数,数值跟随其后,并以绝对值形式给出.这是与真值最接近的一种表示形式. 原码的定义:X原=X; 0X11-X=1+X；-1X0(2)补码表示法机器数的最高位为符号位,0表示正数,1表示负数,其定义如下:X补=X; 0X12+X=2-X；-1X0(3)反

27、码表示法 机器数的最高位为符号,0表示正数,1表示负数.反码的定义:X反=X; 0X12-2-n+X=2-X；-1X0原码补码反码整数 x原=0,x 2nx02n-x 0x-2nx补=0,x 2nx02n+1+x 0x-2n (mod 2n+1)x反0,x 2nx0(2n+1-1)+x 0x-2n (mod(2n+1-1)小数x原x 1x01-x 0x-1x补=x 1x02+x 0x-1 (mod 2)x反=x 1x02-2-n+x 0x-1 (mod(2-2-n)0+0原=0.0000-0原=1.0000+0补=-0补=0.0000+0反=0.0000-0反=1.1111负数原码求反+1负数

28、每位求反移码 x移=2n+x 2nx-2n 移码表示中零也是唯一的真值的移码和补码仅差一个符号位.若将补码的符号位由0改为1或从1改为0即可得到真值的移码乘法运算可用移码和加法来实现,两个n位数相乘,总共要进行n次加法运算和n次移位运算三种机器数的特点可以归纳为：三种机器数的最高位均为符号位.符号位和数值位之间可用“.”(对于小数)或“,”(对于整数)隔开当真值为正时,原码,补码和反码的表示形式均相同,即符号位用“0”表示,数值部分与真值部分相同当真值为负时,原码,补码和反码的表示形式不同,其它符号位都用“1”表示,而数值部分有这样的关系,即补码是原码的“求反加1”,反码是原码的“每位求反”.

29、2. 浮点数的表示1)浮点数的表示范围;浮点数是指小数点位置可浮动的数据,通常以下式表示: N=MRE其中,N为浮点数,M(Mantissa)为尾数(可正可负),E(Exponent)为阶码(可正可负),R(Radix)称为“阶的基数(底)”,而且R为一常数,一般为2,8或16.在一台计算机中,所有数据的R都是相同的,于是不需要在每个数据中表示出来.因此,浮点数的机内表示一般采用以下形式:浮点数的机内表示一般采用以下形式:MsEM 1位 n+1位 m位Ms是尾数的符号位,设置在最高位上.E为阶码(移码),有n+1位,一般为整数,其中有一位符号位,设置在E的最高位上,用来表正阶或负阶.M为尾数(

30、原码),有m位,由Ms和M组成一个定点小数.Ms=0,表示正号,Ms=1,表示负.为了保证数据精度属数通常用规格化形式表示:当R2,且尾数值不为0时,其绝对值大于或等于(0.5)10.对非规格化浮点数,通过将尾数左移或右移,并修改阶码值使之满足规格化要求.浮点数的表示范围以通式N=MRE设浮点数阶码的数值位取m位,尾数的数值位取n位2)IEEE754标准(Institute of Electrical and Electronics Engineers美国电气和电子工程协会)S阶码(含阶符)尾 数数符 小数点位置根据IEEE 754国际标准,常用的浮点数有三种格式:符号位S阶码尾数总位数短实数

31、182332长实数1115264临时实数1156480单精度格式32位,阶码为8位,尾数为23位.另有一位符号位S,处在最高位.由于IEEE754标准约定在小数点左部有一位隐含位,从而实际有效位数为24位.这样使得尾数的有效值变为1.M .例如,最小为x1.00,最大为x1.11.规格化表示.故小数点左边的位横为1,可省去. 阶码部分采用移码表示,移码值127,1到254经移码为-126到+127.S(1位)E(8位)M(23位)N(共32位)符号位000符号位0不等于0(-1)S2-126(0.M) 为非规格化数符号位1到254之间-(-1)S2E-127(1.M) 为规格化数符号位255不

32、等于0NaN(非数值)符号位2550无穷大0 有了精确的表示,无穷大也明确表示.对于绝对值较小的数,可以采用非规格化数表示,减少下溢精度损失.非规格化数的隐含位是0,不是1.（三） 指令系统人们习惯把每一条机器语言的语句称为机器指令,而又将全部机器指令的集合称为机器的指令系统指令的执行过程 读取指令 指令地址(在PC中)送到地址寄存器 读主存,读出内容(指令代码)送入指令寄存器IR 分析指令 形成下一条指令的地址并送到PC中 执行指令 用一到几个执行步骤,完成指令的运算、操作功能, 不同的指令操作步骤和具体运算、操作功能各不相同 减产有无中断请求 无中断请求、进入下一条指令的执行过程 (一)

33、指令格式1. 指令的基本格式计算机是通过执行指令来处理各种数据的.为了指出数据的来源,操作结果的去向及所执行的操作,一条指令必须包含下列信息: (1)操作码,具体说明了操作的性质及功能. (2)操作数的地址. (3)操作结果的存储地址. (4)下一条指令的地址. 从上述分析可知,一条指令实际上包括两种信息即操作码和地址码.操作码(operation code)用来表示该指令所要完成的操作(如加,减,乘,除,数据传送等),其长度取决于指令系统中的指令条数.如操作码占7位,则该机器最多包含27=128条指令.地址码用来描述该指令的操作对象,或直接给出操作数或指出操作数的存储器地址或寄存器地址(即寄

34、存器名).操作码的长度不固定会增加指令译码和分析难度,使控制器的设计复杂.操作码寻址地址形式地址A形式地址 指令字中的地址有效地址 操作数的真实地址约定 指令字长=存储字长=机器字长2. 定长操作码指令格式1)零地址指令OP格式: OP操作码指令中只有操作码,而没有操作数或没有操作数地址.这种指令有两种可能:(1)无需任何操作数,如空操作指令,停机指令等.(2)所需的操作数是默认的.如堆栈结构计算机的运算指令,所需的操作数默认在堆栈中,由堆栈指针SP隐含指出,操作结果仍然放回堆栈中.又如Intel 8086的字符串处理指令,源,目的操作数分别默认在源变址寄存器SI和目的变址寄存器DI所指定的存

35、储器单元中.2)一地址指令格式:OP操作码A操作数的存储器地址或寄存器名指令中只给出一个地址,该地址既是操作数的地址,又是操作结果的存储地址.如加1,减1和移位等单操作数指令均采用这种格式,对这一地址所指定的操作数执行相应的操作后,产生的结果又存回该地址中.在某些字长较短的微型机中(如早期的Z80,Intel8080,MC6800等),大多数算术逻辑指令也采用这种格式,第一个源操作数由地址码A给出,第二个源操作数在一个默认的寄存器中,运算结果仍送回到这个寄存器中,替换了原寄存器内容,通常把这个寄存器称累加器.3)二地址指令格式:OP操作码 A1第一个源操作数的存储器地址或寄存器地址. A2第二

36、个源操作数和存放操作结果的存储器地址或寄存器地址.这是最常见的指令格式,两个地址指出两个源操作数地址,其中一个还是存放结果的目的地址.对两个源操作数进行操作码所规定的操作后,将结果存入目的地址,在本例中即为A2指定的地址4)三地址指令格式:OP操作码 A1第一个源操作数的存储器地址或寄存器地址 A2第二个源操作数的存储器地址或寄存器地址 A3操作结果的存储器地址或寄存器地址其操作是对A1,A2指出的两个源操作数进行操作码(OP)所指定的操作,结果存入A3中.6)多地址指令在某些性能较好的大,中型机甚至高档小型机中,往往设置一些功能很强的,用于处理成批数据的指令,如字符串处理指令,向量,矩阵运算

37、指令等.为了描述一批数据,指令中需要多个地址来指出数据存放的首地址,长度和下标等信息3. 扩展操作码指令格式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,其格式下: OP(4)A1(4)A2(4)A3(4)4位基本操作码有16个码点(即有16种组合),若全部用于表示三地址指令,则只有16条.但,若三地址指令仅需15条,两地址指令需15条,一地址指令需15条,零地址指令需16条,共61条指令,应如何安排操作码？显然,只有4位基本操作码是不够的,必须将操作码的长度向地址码字段扩展才行.一种可供扩展的方法和步骤如下:(1)15条三地址指令的操作码由4位基本操作码从000011

38、10给出,剩下一个码点1111用于把操作码扩展到A1,即4位扩展到8位;(2)15条二地址指令的操作码由8位操作码从1111000011111110给出,剩下一个码点11111111用于把操作码扩展到A2,即从8位扩展到12位;(3)15条一地址指令的操作码由12位操作码从111111110000111111111110给出,剩下的一个码点111111111111用于把操作码扩展到A3,即从12位扩展到16位;(4)16条零地址指令的操作码由16位操作码从11111111111100001111111111111111给出.指令字长取决于操作码的长度、操作数地址的长度和操作数地址的个数.为了提

39、高指令的运行速度和节省存储空间,通常尽可能的吧常用的指令(如数据传输指令、算逻运算指令等)设计成单字长或短字长格式的指令.操作数类型地址地址实际也可以看做是一种数据,在许多情况下要计算操作数的地址.这时地址可看作无符号的整数数字计算机中常见的数字有定点数、浮点数和十进制数字字符在应用计算机时,文本或者字符串也是一种常见的数据类型逻辑数据计算机除了做算术运算外,有时还做逻辑运算,此时n个0和1的组合不是被看做算术数字而被看做逻辑数奔腾Pentium处理器的数据类型有逻辑数、有符号数(补码)、无符号数、压缩和未压缩的BCD码、地址指针、位串以及浮点数(符合IEEE754标准)等指令操作类型1.数据

40、传送数据传送包括寄存器与寄存器,寄存器与存储单元,存储单元与存储单元之间的传送2.算术逻辑操作这操作可实现算术运算(加,减,乘,除,增1,减1,取负即求补)逻辑运算(与,或,非,异或)3.移位移位可分为算术移位,逻辑移位和循环移位三种4.转移无条件转移不受任何约束条件直接把程序转移到下一条需执行指令的地址条件转移根据当前指令的执行结果决定是否需要转移调用与返回l 子程序可在多处被调用l 子程序调用可出现在子程序中,即允许子程序嵌套l 每个CALL指令都对应一条RETURN指令CPU必须记住返回地址,使子程序能准确返回,返回地址存放在以下3处l 寄存器内.机器内设有专用寄存器,专用于存放返回地址

41、l 子程序的入口地址内l 栈顶内.现代计算机都设有堆栈,执行RETURN指令后,便可自动从堆栈内取出应返回的地址陷阱(Trap)与陷阱指令其实是一种意外事故的中断,一般不提供给用户使用,作为隐指令,再出现故障时,由CPU自动产生并执行5.输入输出对于I/O单独编址的计算机而言,通常设有输入输出指令,他完成从外设中的寄存器读入一个数据到CPU寄存器内,或将数据从CPU的寄存器输出至某外设的寄存器中6.其它包括等待指令、停机指令、空操作指令、开中断指令、关中断指令、置条件码指令等备注有些大型或巨型机还设有向量指令,可对整个向量或矩阵进行求和求积运算(二) 指令的寻址方式1. 有效地址的概念操作数的

42、真实地址称为有效地址,记做EA,它是寻址方式和形式地址共同来决定的.2. 数据寻址和指令寻址寻址方式是指确定本条指令的数据地址以及下一条将要执行的指令的地址,与硬件结构密切相关,寻址方式分为指令寻址和数据寻址两大类指令寻址分为顺序寻址和跳跃寻址两种.顺序寻址可以通过程序计数器PC加1自动形成下一条指令的地址,跳跃寻址则通过转移类指令实现,是通过对PC的运算得到新的下一条指令的地址. 3. 常见寻址方式1)立即寻址所需的操作数由指令的地址码部分直接给出,就称为立即数(或直接数)寻址方式.这种方式的特点是取指时,操作码和一个操作数同时被取出,不必再次访问存储器,提高了指令的执行速度.但是由于这一操

43、作数是指令的一部分,不能修改,而一般情况下,指令所处理的数据都是在不断变化的(如上条指令的执行结果作为下条指令的操作数),故这种方式只能适用于操作数固定的情况.通常用于给某一寄存器或存储器单元赋初值或提供一个常数等.(图中“#”表示立即寻址的标记,A的位数限制了这类指令所能表述的立即数的范围)2)直接寻址指令的地址码部分给出操作数在存储器中的地址.3)隐含寻址操作数的地址隐含在操作码或者某个寄存器中.4)间接寻址 在寻址时,有时根据指令的地址码所取出的内容既不是操作数,也不是下一条要执行的指令,而是操作数的地址或指令的地址,这种方式称为间接寻址或间址.5)寄存器寻址计算机的中央处理器一般设置有

44、一定数量的通用寄存器,用以存放操作数,操作数的地址或中间结果.假如指令地址码部分给出某一通用寄存器地址,而且所需的操作数就在这一寄存器中,则称为寄存器寻址.通用寄存器的数量一般在几个至几十个之间,比存储单元少很多,因此地址码短,而且从寄存器中存取数据比从存储器中存取快得多,所以这种方式可以缩短指令长度,节省存储空间,提高指令的执行速度,在计算机中得到广泛应用.6)寄存器间接寻址 EA = ( Ri ) 有效地址在寄存器中寄存器中给出的是操作数的地址,因此还需要访问一次存储器才能得到操作数.7)基址寻址在计算机中设置一个专用的基址寄存器,或由指令指定一个通用寄存器为基址寄存器.操作数的地址由基址

45、寄存器的内容和指令的地址码A相加得到 8)变址寻址指令地址码部分给出的地址A和指定的变址寄存器X的内容通过加法器相加,所得的和作为地址从存储器中读出所需的操作数.这是几乎所有计算机都采用的一种寻址方式.9)相对寻址把程序计数器PC的内容(即当前执行指令的地址)与指令的地址码部分给出的位移量(disp)之和作为操作数的地址或转移地址,称为相对寻址. 主要用于转移指令,执行本条指令后,将转移到(PC)disp,(PC)为程序计数器的内容.相对寻址有两个特点: 1转移地址不是固定的,它随着PC值的变化而变化,并且总是与PC相差一个固定值disp,因此无论程序装人存储器的任何地方,均能正确运行,对浮动

46、程序很适用. 2位移量可正,可负,通常用补码表示.如果位移量为n位,则这种方式的寻址范围在 (PC)-2n-1 (PC)+2n-1-1之间 计算机的程序和数据一般是分开存放的,程序区在程序执行过程中不允许修改.在程序与数据分区存放的情况下,不用相对寻址方式来确定操作数地址. 10)堆栈寻址在一般计算机中,堆栈主要用来暂存中断和子程序调用时现场数据及返回地址,用于访问堆栈的指令只有压入(即进栈)和弹出(即退栈)两种,它们实际上是一种特殊的数据传送指令:压入指令(PUSH)是把指定的操作数送入堆栈的栈顶;弹出指令(POP)的操作刚好相反,是把栈顶的数据取出,送到指令所指定的目的地.一般的计算机中,

47、堆栈从高地址向低地址扩展,即栈底的地址总是大于或等于栈顶的地址(也有少数计算机刚好相反)当执行压入操作时,首先把堆栈指针(SP)减量(减量的多少取决于压入数据的字节数,若压入一个字节,则减1;若压入两个字节,则减2,以此类推),然后把数据送人SP所指定的单元;当执行弹出操作时,首先把sp所指定的单元(即栈顶)的数据取出,然后根据数据的大小(即所占的字节数)对SP增量.设计指令格式应考虑的各种因素指令系统集中反映了机器的性能,又是程序员编程的依据,高档机必须能兼容低档机的程序运行,称之为“向上兼容”.指令格式集中体现了指令系统的功能.为此,在确定指令系统时,必须从以下几个方面综合考虑. 操作类型

48、：包括指令数及操作的难易程度 数据类型：确定哪些数据类型可以参加操作 指令格式：包括指令字长、操作码位数、地址码位数、地址个数、寻址方式类型、以及指令字长和操作码位数是否可变等. 寻址方式：包括指令和操作数具体有哪些寻址方式. 寄存器个数：寄存器的多少直接影响指令的执行时间.寻址方式详情指令寻址顺序寻址顺序寻址可通过程序计数器PC加1自动形成下一条指令的地址跳跃寻址跳跃寻址则通过转移类指令实现数据寻址1.立即寻址操作数本身设在指令字内,即形式地址A不是操作数地址而是操作数本身l 指令执行阶段不访存l A的位数限制了这类指令所能表述的立即数的范围2.直接寻址指令中的形式地址A就是操作数的真实地址

49、EA,即EA=A l 执行阶段访问一次存储器l 缺点在于A的位数限制了操作数的寻址范围而且必须修改A的值才能修改操作数的地址3.隐含寻址指令字中不明显给出操作数的地址,其操作数的地址隐含在操作码或某个寄存器中l 由于隐含寻址在指令字中少了一个地址,因此,这种寻址方式的指令有利于缩短指令字长4.间接寻址倘若指令字中的形式地址不直接指出操作数的地址,而是指出操作数有效地址所在的存储单元的地址,也就是说,有效地址是由形式地址间接提供的,即为间接地址,即EA=(A)优点1. 与直接寻址相比,扩大了操作数的寻址范围,因为A的位数通常小于指令字长,而存储字长可与指令字长相等2. 它便于编制程序缺点l 指令

50、的执行阶段需要访存两次(一次间接寻址)或多次(多次间接寻址),致使指令执行时间延长5.寄存器寻址在寄存器寻址的指令字中,地址码字段直接指出了寄存器的编号,即EA=Rl 由于地址字段只需指明寄存器编号(计算机中寄存器数有限)故指令字l 较短,节省了存储空间,因此寄存器寻址在计算机中得到广泛应用l 执行阶段不访存,只访问寄存器,执行速度快l 寄存器个数有限,可缩短指令字长6.寄存器间接寻址有效地址EA+=(Ri),因有效地址l 有效地址在寄存器中, 操作数在存储器中,执行阶段访存l 便于编制循环程序7.基址寻址基址寻址需设有基址寄存器BR,其操作数的有效地址EA等于指令字中的形式地址与基址寄存器中

51、的内容(称为基地址)相加,即EA=A+(BR)采用专用寄存器作基址寄存器l 可扩大寻址范围l 有利于多道程序l BR内容由操作系统或管理程序确定l 在程序的执行过程中 BR 内容不变,形式地址 A 可变采用通用寄存器作基址寄存器l 由用户指定哪个通用寄存器作为基址寄存器l 基址寄存器的内容由操作系统确定l 在程序的执行过程中 R0 内容不变,形式地址 A 可变8.变址寻址变址寻址与基址寻址极为相似.其有效地址EA等于指令字中的形式地址A与变址寄存器IX的内容相加之和,即EA=A+(IX)l 可扩大寻址范围l IX 的内容由用户给定l 在程序的执行过程中 IX 内容可变,形式地址 A 不变l 便

52、于处理数组问题9.相对寻址的有效地址是将PC的内容(即当前指令地址)与指令字中的形式地址A(A 是相对于当前指令的位移量(可正可负,补码)相加而成,即EA=(PC)+Al A 的位数决定操作数的寻址范围l 程序浮动l 广泛应用于转移指令10.堆栈寻址要求计算机中设有堆栈.堆栈既可用寄存器组(称为硬堆栈)来实现,也可利用主存的一部分空间作堆栈(称为软堆栈)l 硬堆栈 多个寄存器l 软堆栈 制定的存储空间 (三) CISC和RISC的基本概念1CISC(复杂指令集计算机)随着VLSI技术的发展,计算机的硬件成本不断下降,软件成本不断提高,使得人们热衷于在指令系统中增加更多的指令和复杂的指令,来提高

53、操作系统的效率,并尽量缩短指令系统与高级语言的语义差别,以便于高级语言的编译和降低软件成本. 另外,为了做到程序兼容,同一系列计算机的新机器和高档机的指令系统只能扩充而不能减去任意一条,因此,促使指令系统越来越复杂,某些计算机的指令多达几百条.例如,DEC公司的VAX 11/780计算机有303条指令,18种寻址方式,我们称这些计算机为复杂指令系统计算机(complex instruction set computer,简称CISC).Intel公司的180X86微处理器,IBM公司的大,中计算机均为CISC. 2RISC(简单指令集计算机)(1)RISC的产生 1975年IBM公司开始研究指

54、令的合理性问题,IBM的John cocke 提出了RISC的想法. 对CISC的测试表明:最长使用的是一些简单指令,占指令总数的20%,但在程序中出现的频率却占80%. 而占20%的复杂指令,为实现其功能而设计的微程序代码却占总代码的80%.CISC研制时间长,成本高,难于实现流水线;因此出现了RIC技术.计算机执行程序所需的时间P可用下式表述：P=ICT其中,I是高级语言程序编译后在机器上运行的机器指令数；C为执行每条机器指令所需的平均机器周期；T是每个机器周期的执行时间.(2)RISC的特点1)优先选取使用频率最高的一些简单指令;选用使用频度较高的一些 简单指令,复杂指令的功能由简单指令

55、来组合2)指令长度固定;指令 长度固定、指令格式种类少、寻址方式少 3)只有取数/存数指令(load/store)访问内存;只有 LOAD / STORE 指令访存4)CPU中的寄存器数量很多;CPU 中有多个 通用 寄存器5)大部分指令在一个或小于一个机器周期完成;采用 流水技术 一个时钟周期 内完成一条指令6)硬布线控制逻辑为主,不用或少用微码控制;采用 组合逻辑 实现控制器7)一般用高级语言编程,特别重视编译优化,以减少程序执行时间.采用 优化 的 编译 程序(3)RISC的发展 1983年,一些中小型公司开始推出RISC产品,由于其高性能价格比,市场占有率不断提高.1987年SUN公司

56、用SPARC芯片构成工作站;目前一些大公司,IBM,DEC,Intel,Motorola以将部分力量转移到RISC方面.(4)CISC机与RISC机的主要特征对比 CISCRISC指令系统指令数指令格式指令字长寻址方式可访问指令各种指令使用频率各种指令执行时间复杂,庞大一般大于200一般大于4一般大于4不固定不加限制相差很大相差很大简单,精简一般小于100一般小于4一般小于4固定32位只有LOAD/STORE指令相差不大绝大多数在一个机器周期完成优化编译实现很难较容易程序源代码长度较短较长控制逻辑实现方式绝大多数为微程序控制绝大多数为硬连线控制RISC机的主要优点可归纳如下充分利用VLSI芯片的面积提高了计算机运行速度便于设计,降低成本,提高可靠性有效支持高级语言程序布 置 作 业（书面作业、电子版作业）课后小结教 案 正 页 课程名称：计算机组成原理任 课 教 师总课序第3次授 课时 间第2周第1次课撰写（修改）稿2012年3月5日讲 课 内 容第3章课 题系统总线的概念及分类课时安排2课时授课方式 理论课 讨论课 实践课 实验课 习题课 其 他教 具准 备黑板教 学目 的了解系统总线的基本概念及其分类教 学