计算机组成原理笔记

计算机组成原理笔记

Chapter4 指令系统

指令格式设计

基本结构

1. 操作码
2. 源操作数/其地址or立即数：储存单元地址/寄存器编号/io端口
3. 结果的地址：储存单元地址/寄存器编号/io端口
4. 下条地址：通常隐含在PC中（按顺序执行时，下条地址为PC+地址长度）转移指令则跳转到给出的地址。

根据给出的地址个数，分为三、二、单、零地址指令

1. 三：双目运算符两个源操作数地址和一个结果地址
2. 二：双目运算符两个源操作数，其中一个作为结果地址
3. 一：（取反/负）既是操作数地址也是结果地址
4. 零地址：一种是无需，or栈型指令的操作数在栈顶，故不需要

指令格式设计原则

1. 指令尽量短
2. 足够操作码位数
3. 指令长度是字节的整数倍
4. 合理选择地址字段个数
5. 指令应尽量规整

指令系统设计

1. 完备性完整性（指令的操作类型）
2. 兼容性（兼容以前机器的指令）
3. 均匀性（多种数据类型eg：三种整型，两种浮点）
4. 可扩充性（预留一定编码空间，方便扩充）

基本设计问题

操作数类型

1. 指针以及地址
2. 数值数据
3. 位、位串、字符以及字符串

*寻址方式

注意，一条指令若有两个或两个以上的地址码时，各地址码可采用不同的寻址方式。例如，源地址采用一种寻址方式，而目的地址采用另一种寻址方式。

1. 立即寻址：指令直接给出操作数本身

2. 直接寻址：指令中给出操作数的有效地址（直接/绝对地址）

3. 间接寻址：给出操作数的地址的地址（可多重）

4. 寄存器寻址：地址码是操作数所在寄存器编号

   1. 寄存器地址断，故寄存器寻址指令短
   2. 操作数已经在cpu，不访存，速度快

5. 寄存器间接寻址：寄存器中存放操作数的有效地址，需要访存

   

6. 变址寻址：线性表等，给出基准地址，（变址寄存器 I ）给出偏移量

   

   把变址寄存器Rx的内容与指令中给出的形式地址A相加，形成操作数有效地址，即EA=(Rx)+A。Rx的内容称为变址值。
   S=((Rx)+A)

7. 相对寻址：相对寻址是基址寻址的一种变通，由程序计数器PC提供基准地址，指令中的地址码字段作为位移量D，两者相加后得到操作数的有效地址，即 EA=(PC)+D。位移量指出的是操作数和现行指令之间的相对位置。

相对寻址方式的特点：

1. 操作数的地址不是固定的，它随着PC值的变化而变化，并且与指令地址之间总是相差一个固定值±D。当指令地址改变时，由于其位移量不变，使得操作数与指令在可用的存储区内一起移动，所以仍能保证程序的正确执行。采用PC相对寻址方式编写的程序可在主存中任意浮动，它放在主存的任何地方，所执行的效果都是一样的。
2. 由于指令中给出的位移量可正、可负，所以对于指令地址而言，操作数地址可能在指令地址之前或之后。

8. 基址寻址：基址寄存器Rb的内容与指令中给出的位移量D相加，形成操作数有效地址，即EA=(Rb)+D。基址寄存器的内容称为基址值。指令的地址码字段是一个位移量，位移量可正、可负。

S=((Rb)+D)

Conclution

寻址方式指如何在指令中表示要访问的内存地址。表2.4列出了计算机中常用的寻址方式，其中数组mem表示存储器，数组regs表示寄存器，mem[regs[Rn]]表示由寄存器Rn的值作为存储器地址所访问的存储器值。

表 2.4: 常用寻址方式

寻址方式	格式	含义
寄存器寻址（Register）	ADD R1,R2	regs[R1]=regs[R1]+regs[R2]
立即数寻址（Immediate）	ADD R1,#2	regs[R1]=regs[R1]+2
偏移量寻址（Displacement）	ADD R1,100(R2)	regs[R1]=regs[R1]+mem[100+regs[R2]]
寄存器间接寻址（Reg.Indirect）	ADD R1,(R2)	regs[R1]=regs[R1]+mem[regs[R2]]
变址寻址（Indexed）	ADD R1,(R2+R3)	regs[R1]=regs[R1]+mem[regs[R2]+regs[R3]]
绝对寻址（Absolute）	ADD R1,(100)	regs[R1]=regs[R1]+mem[100]
存储器间接寻址（Mem.Indirect）	ADD R1,@(R2)	regs[R1]=regs[R1]+mem[mem[regs[R2]]]
自增量寻址（Autoincrement）	ADD R1,(R2)+	regs[R1]=regs[R1]+mem[regs[R2]],regs[R2]=regs[R2]+d
自减量寻址（Autodecrement）	ADD R1,-(R2)	regs[R2]=regs[R2]-d,regs[R1]=regs[R1]+mem[regs[R2]]
比例变址寻址（Scaled）	ADD R1,100(R2)(R3)	*regs[R1]=regs[R1]+mem[100+regs[R2]+regs[R3]d]

操作类型

1. 算数和逻辑运算指令：加减乘除/比较/加一减一/位运算
2. 移位指令
3. 传送指令
4. 串指令
5. 顺序控制指令：转移、跳转、跳步、调用、返回
6. CPU控制指令
7. 输入输出指令

操作码编码

1. 定长操作码编码：

长度固定，译码方便，执行指令速度快，但有信息冗余。

1. 扩展操作码编码：

几种固定长度的格式，4-8-12，3-6-9等，多用于非规整性指令集

异常以及中断处理

异常 exception：

也称为例外，执行时cpu内部发生的。

1. 故障：遇到终止程序执行。
2. 自陷：人为埋设，例如断点、单步追踪，处理结束返回下条继续执行。
3. 终止：特殊事件，每条指令执行完都检查有无中断指令，有则将 下条指令作为断点保存，并转到相应断点服务执行，结束后返回断点继续。

   终止与指令执行无关，由CPU外部的I/O部件通过专门的中断请求线向CPU请求

程序的机器级表示

略