第3章 计算机结构.pptVIP

第3章 计算机结构 本章主要内容 3.1 指令系统 3.2 中央处理器 3.3 指令执行 3.4 流水线技术 3.5 存储系统 3.6 外围设备 3.7 输入输出方式 3.8 多处理器系统 指令系统(1) 指令 计算机的所有功能都体现在它所提供的指令里，计算机完成的所有功能都是通过执行一条一条的指令来实现的。表示一条指令的二进制代码，就称为指令字，通常简称指令。 一台计算机中所有机器指令的集合，称为这台计算机的指令系统。 指令系统是表征一台计算机性能的重要因素，它的格式与功能不仅直接影响到机器的硬件结构的设计，而且也直接影响到系统软件以及该机器的适用范围。 指令系统(2) CISC Complex Instruction Set Computer，复杂指令集计算机 RISC Reduced Instruction Set Computer，精简指令集计算机 指令系统(3) CISC 采用微程序设计方法实现指令的控制器 减轻编程的工作量，缩短程序代码 由于大量的复杂指令、可变的指令长度、多种的寻址方式，大大增加了解码的难度，代码难以优化，执行效率低 指令系统(4) RISC IBM370CISC系统占总指令数仅20%的简单指令在程序调用中占了80%，而占指令数80%的复杂指令却只有20%的机会用到 RISC具有以下的特点： 指令系统简化，由一些基本的、必要的指令构成； 除LOAD/STORE指令外，所有指令只与寄存器打交道，都在一个时钟周期内执行完毕； 绝大部分采用硬联线控制，不用或少用微程序实现； 使用较多的通用寄存器，没有专用寄存器； 采用优化编译技术，生成高效的目标代码程序。 指令系统的设计要求 完备性： 完备性要求指令系统丰富、功能齐全、使用方便，为编写程序提供足够的指令。 有效性： 是指利用该指令系统所编写的程序能够高效率地运行。高效率主要表现在程序占据存储空间小、执行速度快等方面。 规整性： 包括指令系统的对称性、匀齐性、指令格式和数据格式的一致性。 对称性是指在指令系统中所有的寄存器和存储器单元都可同等对待，所有的指令都可使用各种寻址方式； 匀齐性是指一种操作性质的指令可以支持各种数据类型； 指令格式和数据格式的一致性是指指令长度和数据长度有一定的关系，以方便处理和存取。 兼容性： 至少要能作到“向上兼容”，即低档机上运行的软件可以在高档机上运行。 指令系统(5) 指令格式 指令字就是表示一条指令的二进制代码，通常简称指令；指令格式，则是指令字用二进制代码表示的结构形式 一条指令通常由操作码、地址码字段构成 操作码字段指定指令的功能特性 地址码字段指定操作数的地址 指令系统(6) 操作码 定长操作码，变长指令码 变长操作码，定长指令码 地址码 零地址指令 一地址指令 二地址指令 三地址指令 中央处理器 主要功能： 顺序控制 操作控制 时间同步 数据处理 主要部件: 运算器 控制器 寄存器组 运算器 算术运算：如加、减等算术操作 逻辑运算：如与、或非等逻辑操作。 控制器 控制器是计算机的“指挥中心”，主要功能是按照预先确定的操作步骤，控制整机各部件步调一致的自动工作。 控制器根据当前程序计数器寄存器的值，从RAM 中相应的地址取出指令，指令寄存器中。控制器对指令进行译码，然后根据指令的功能向各功能部件发出控制命令，控制它们执行这条指令所指定的任务。当控制器得知一条指令执行完毕后，它会自动根据程序计数器寄存器的值顺序地去取下一条要执行的指令，重复上述工作过程直到整个程序执行完毕。 寄存器 用户可见的寄存器 数据寄存器（Data Register） 地址寄存器（Address Register） 控制和状态寄存器 程序计数器（Program Counter，PC） 指令寄存器（Instruction Register） 状态条件寄存器 寻址方式 指令寻址方式 顺序寻址方式 跳跃寻址方式 数据寻址方式（即操作数寻址） 操作数寻址(1) 隐含寻址 立即寻址 操作数寻址(2) 直接寻址 间接寻址 操作数寻址(3) 寄存器寻址方式 相对寻址 变址和基值寻址方式 指令执行 指令周期 取出并执行一条指令的时间 机器周期 也称为CPU周期，通常用内存中读取一个指令字的最短时间来规定CPU周期 时钟周期 非访存指令的指令周期(1) 非访存指令的指令周期(2) 非访存指令的指令周期(3) 直接访存指令的指令周期(1) 直接访存指令的指令周期(2) 直接访存指令的指令周期(3) 间接访存指令的指令周期(1) 间接访存指令的指令周期(2) 间接访存指令的指令周期(3) 程序控制指令的指令周期(1) 程序控制指令的指令周期(2) 流水线技术(1) 流水技术的特点： 一条流水线