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第四章指令系统4.1指令系统的发展与性能要求什么是指令，什么是指令系统？机器指令，介于微指令与宏指令之间，通常简称为指令一台计算机中所有的机器指令的集合成为这台计算机的指令系统对指令系统性能的四个要求：完备性、有限性、规整性、兼容性4.2指令格式指令格式（重点）对指令格式的分析：给你指令的格式，分析这条是怎样的指令，单字长，双字长：依照机器系统的字长进行划分，如16位机器中，8位字长指令为半字长指令，16位字长指令为单字长，32位字长指令为双字长地址码是二地址码还是三地址码：依据操作数的地址进行划分如果是二地址指令还需分析是SS型、RR型还是RS型SS型：存储器-存储器；RR型：寄存器-寄存器；RS型：寄存器-存储器指令格式的分析包括两个部分：操作码和地址码（操作码字段OP，地址码字段A）操作码字段代表这个指令可以拥有的最多的指令条数4.4指令和数据的寻址方式各种寻址方式的有效地址的计算办法比如说直接选址或者是间接寻址的时候，他的有效地址空间是等于地址码部分的怎样一个计算EA等于什么方式算法主要优点主要缺点隐含寻址操作数在专用寄存器无存储器访问数据范围有限立即寻址操作数=A无存储器访问操作数幅度有限直接寻址EA=A简单地址范围有限间接寻址EA=(A)大的地址范围多重存储器访问寄存器寻址EA=R无存储器访问地址范围有限寄存器间接寻址EA=(R)大的地址范围额外寄存器访问偏移寻址EA=A+(R)灵活复杂段寻址EA=A+(R)灵活复杂堆栈寻址EA=栈顶无存储器访问引用有限倒过来，给你一个公式判断出来是怎样的寻址方式（习题6）4.5典型指令CISC（复杂指令系统计算机）和RISC（精简指令系统计算机）RISC指令系统的三个特点：①选取使用频率最高的一些简单指令，指令条数少；②指令长度固定，指令个数种类少、寻址方式种类少③只有取数/存数指令返回存储器，其余指令的操作数都在寄存器之间进行课后习题：3.、4、5、6第6题：寻址方式的判断，能够填入寻址方式的名称或者倒过来，告诉你寻址方式的名称能够填出有效地址E的计算补充题：假设已知机器指令的二进制代码51F8，求这条指令的寻址方式？有效地址是多少？0101000111111000？第五章中央处理器5.1CPU的功能和组成四个功能：指令控制、操作控制、时间控制、数据加工CPU的基本组成：控制器、运算器、cache控制器包含：程序计数器、指令寄存器、指令译码器、时序产生器、操作控制器控制器主要有一些寄存器，这些寄存器的作用，比如说DR、IR、AR等等DR：数据缓冲寄存器IR：指令寄存器PC：程序计数器AR：数据地址寄存器R0~R3：通用寄存器PSW：状态字寄存器操作控制器与时序产生器各自的作用；操作控制器：根据指令操作码和时序信号，产生各种操作控制信号，以便正确地选择数据通路，把有关数据打入到一个寄存器，从而完成取指令和执行指令的控制时序产生器：产生时序控制信号5.2指令周期五条典型指令的执行过程，见课本主要掌握课后的例题一，课后习题2、35.4微程序控制器微程序控制的基本思想是什么？利用软件方法来设计硬件的一门技术微命令和微操作什么是微命令，什么是微操做微命令：控制部件通过控制线想执行部件发出各种控制命令，通常把这种控制命令叫做微命令微操做：执行部件接受微命令后所进行的操作就叫做微操作什么是相容性，什么是相斥性相容性：相容性的微操作是指在同时或同一个CPU周期内可以并行执行的微操作相斥性：相斥性的微操作是指不能在同时或不能在同一个CPU周期内并行执行的微操作微指令的格式分为几个部分操作控制字段、顺序控制字段（判别字段、下地址字段或直接地址字段）根据给出的条件分析出操作控制字段、顺序控制字段需要几位，然后再根据微指令的长度算出控存容量（根据微指令的格式判断出控存的容量）或者从控存的容量给出的条件来判断微指令的格式每个字段有几位（课后题6,11）微程序控制器的原理框图（P158）微程序的设计技术追求的五点目标①有利于缩短微指令字长度；②有利于减小控制存储器的容量；③有利于提高微程序的执行速度；④有利于对微指令的修改；⑤有利于提高微程序设计的灵活性微命令的编码方法：与微指令的格式结合①直接表示法(一个指令占一位)②编码表示法（相斥的指令归为一组，每组多少个相容的按照2n进行计算，注意要包含“无”这一条，例如老师给出的离题中4581520归为一组，其中4占位3，就是这个原因）③混合表示法老师例题（补充题为课后11升级版）字长为32位的机器，29位的微指令长度，52个微命令，一共构成5个相斥的微命令组合，分别是4,、5、8、15、20，判别字段有2个，求①微指令的格式如果？②控存容量？微地址的形成方法①计数器方式②多路转换方式下地址的判别方式P（断定方式）5.5硬连线控制器硬连线控制器的基本思想由门电路和触发器构成的复杂树形逻辑网络速度快灵活性差，是与微程序控制器的基本区别5.6流水CPU并行性的概念各个操作能同时进行两个含义：同时性、并发性同时性：指两个以上事件在同一时刻发生并发性：指两个以上事件在同一时间间隔内发生三种形式：时间平行、空间并行、时间+空间并行时间平行：时间重叠空间并行：资源重复时空并行：时间重叠和资源重叠的综合应用流水线三个主要问题：资源相关，数据相关、控制相关三种相关（资源，数据，控制）引起的原因是什么资源相关：多条指令进入流水线后在同一机器周期内争用同一个功能部件所发生的冲突。数据相关：在一个程序中，如果必须等前一条执行完毕后，才能执行后一条指令，那么这两条指令就是数据相关。对数据相关而言又可分为三种：写后读相关、读后写相关、写后写相关。（习题16）控制相关：冲突时有转移指令引起的。当执行转移指令时，依据转移条件的产生结果，可能为顺序取下条指令；也可能转移到新的目标地址取指令，从而使流水线发生断流。5.7RISCCPURISCcpu的三个基本要素①一个有限的简单的指令集；②CPU配备大量的通用寄存器；③强调对指令流水线的优化习题2.3.6.8.11.16第六章总线系统6.1总线的基本概念和结构形态总线的基本概念总线是构成计算机系统的互联机构，是多个系统功能部件之间进行数据传送的公共通路。单处理系统中总线分为三大类：内部总线、系统总线、I/O总线总线的四个特性是什么，各自负责什么物理特性：总线的物理连接方式。功能特性：描述总线中每一根线的功能。电气特性：定义每一根线上信号的传递方向及有效的电平范围。时间特性：定义了每根线在什么时间有效。总线的带宽计算(P186例题1)总线的连接方式，与CPU，与外设（适配器或者称之为接口）通过适配器进行连接，适配器或称之为接口总线的两种基本类型：单总线结构和多总线结构单总线结构：有一条总线直接与多个外围设备进行连接多总线结构：通过“桥”，将CPU总线、系统总线和高速总线彼此相连早期的总线：地址线，控制线，数据线；现代的总线：数据传输总线，仲裁总线，中断和同步总线，公用线6.2总线的接口总线的三种信息传送方式：串行传送：按顺序在一个总线上采用脉冲传送并行传送：对每个数据位都需要单独一条传输线分时传送：①复用总线，某个传输线及传地址又传数据，故需划分时间片；②共享总线的部件分时使用总线总线的接口的概念（适配器概念）I/O功能模块简称I/O接口，适配器。广义而言，指CPU、主存和外围设备之间通过系统总线进行连接的标准化逻辑部件6.3总线的仲裁集中式仲裁和分布式仲裁集中式仲裁：每个功能模块有两条线连接到总线控制器，一条送往仲裁器的总线请求信号线BR，一条是仲裁器送出的总线授权信号线BG分布式仲裁：不需要集中的总线仲裁器，每个潜在的主方功能模块都有自己的仲裁号和仲裁器。三种集中式仲裁（链式查询，计数器，独立请求），各自的优缺点（P195图）链式查询：优点是只用很少的几根线就能按照一定优先次序实现总线的仲裁，并且链式结构很容易扩充设备；缺点是对询问链的电路故障很敏感，且优先级是固定的，若高优先级设备不断请求时，低优先级设备可能长期不能使用总线。计时器定时查询：优点是初始值可由程序设定，方便改变优先次序；缺点增加总线数量独立请求方式：优点是响应时间快，确定优先响应的设备所花费的时间少，对优先次序的控制灵活，且可以预先固定，或通过程序改变，还可以屏蔽某个请求。缺点增加总线数量6.4总线的定时和数据传送模式总线的定时：同步定时、异步定时同步定时适用于速度一致的设备，异步定时适合速度差大的四种数据传送模式：读/写操作，块传送操作，写后读/读修改写操作，广播/广集操作6.5PCI总线的概念：PCI是一个与处理器无关的高速外围总线，又是至关重要的层间总线。采用同步时序协议和集中式仲裁策略，具有自动配置能力。PCI设备既是主设备也可以是从设备或兼而有之。PCI中不存在DMA(直接存储器传送)概念，因为PCI总线支持无限的猝发式传送，故在传统总线上使用DMA方式工作的设备一直到PCI总线上使用主设备工作即可。系统中允许多条PCI总线，可用HOST桥与HOST总线相连接，或使用PCI/PCI桥与一致的HOST相连的PCI总线相连。第八章输入输出系统8.1外围设备的速度分级与信息交换方式外围设备与CPU进行输入输出的四种控制方式：程序实现：程序查询方式（优点：结构简单，缺点：浪费时间）、程序中断方式（重点）硬件实现：直接内存访问方式(DMA)、通道方式8.3程序中断方式中断的基本概念中断：外围设备用来“主动”通知CPU，准备送出输入数据或接收输出数据的一种方式中断的处理过程流程图（P241图）CPU响应中断的三个条件：①外围设备发出中断请求②中断未被屏蔽③一条指令执行结束程序中断方式的基本接口图（几个触发器的功能，1-10步骤各个步骤做什么）P2428.4什么是DMA方式，是什么样的一种控制方式直接内存访问（DMA）：一种完全由硬件执行I/O交换的工作方式。DMA控制器从CPU完全接管对总线的控制，数据交换不经过CPU，而直接在内存和I/O设备之间进行。DMA与CPU分时使用内存的三种方式①停止CPU访问内存②周期挪用③DMA与CPU交替访问DMA控制器的两种类型：选择型和多路型8.5通道方式通道的概念一个特殊功能的处理器，有自己的指令和程序专门负责数据的输入输出的传输控制通道的功能①接受CPU的I/O指令，按指令要求与制定的外围设备进行通信②从存储器选取属于该通道程序的通道指令，经译码后向I/O控制模块发送各种命令③组织外设和存储器之间进行数据传送，根据需要提供数据缓存的空间，以及提供数据存入存储器的地址和传送的数据量④从外围设备得到设备的状态信息，形成并保存通道本身的状态信息，根据要求将这些状态信息送到存储器的制定单元，供CPU使用⑤将外设的中断请求和通道本身的中断请求，按次序及时报告CPU三种类型：选择通道、数组多路通道、直接多路通道（选择通道的优先级高于多路通道，因为前者一般连接高速设备）