计算机组成Lecture03

西安电子科技大学计算机学院2019年12月17日00:33:40计算机组成原理考研辅导第3部分按章节复习车向泉[e-mail]西安电子科技大学计算机学院2019年12月17日00:33:40计算机组成原理考研辅导第4章指令系统考研大纲（一）指令格式1.指令的基本格式2.定长操作码指令格式3.扩展操作码指令格式（二）指令的寻址方式1.有效地址的概念2.数据寻址和指令寻址3.常见寻址方式（三）CISC和RISC的基本概念3西安电子科技大学计算机学院2019年12月17日00:33:41计算机组成原理考研辅导第4章指令系统4.1指令格式4.1指令格式指令的基本格式操作码、地址码。定长操作码指令格式规整性好，解码简单，占用的空间大。扩展操作码指令格式短码不能是长码的前缀。54.1指令格式：习题某计算机指令字长16位，指令有双操作数、单操作数和无操作数3种格式，每个操作数字段均由6位二进制表示，该指令系统共有m条(m＜16)双操作数指令，并存在无操作数指令。若采用扩展操作码技术，那么最多还可以设计出_____条单操作数指令。A.26B.(24-m)×26-1C.(24-m)×26D.(24-m)×(26-1)某指令系统指令长为8位，每一地址码长3位，用扩展操作码技术。若指令系统具有2条二地址指令、10条零地址指令，则最多有_____条一地址指令。A.20B.14C.10D.664.1指令格式：综合应用某台计算机有指令128种，用两种操作码编码方案：1）用定长操作码编码方案设计其操作码编码；2）如果在128种指令中常用指令有8种，使用频率达到80%，其余指令使用频率为20%，采用扩展操作码编码方案设计其操作码编码，并求出其操作码的平均长度。【解】1）7位操作码。2）8×2n≥120，n＝4。平均码长＝＝4×80%＋8×20%＝4.8位7操作码说明0000表示常见的8种指令0001……01111000000016种10000001……10001111…………1110000016种11100001……11101111111100008种11110001……11110111n1iiilp4.1指令格式：综合应用某16位模型机共有64种操作码，位数固定，且具有以下特点：①采用一地址或二地址格式。②有寄存器寻址、直接寻址、相对寻址（位移量为-128～+127）3种寻址方式。③有16个通用寄存器，算数运算和逻辑运算均在寄存器中，结果也在寄存器中。④取数/存数指令在通用寄存器和存储器之间传送数据。⑤存储器容量为1MB，按字节编址。要求设计算数逻辑指令、取数/存数指令、相对转移指令的格式，并简述理由。84.1指令格式：综合应用算数逻辑指令：9操作码6bit寻址特征2bit寄存器编号4bit寄存器编号4bitOPMRiRj取数/存数指令：6bit2bit4bit4bitOPMRiA1A26bit2bit4bit4bitOPMA（位移量，补码）相对转移指令：（存储器地址）西安电子科技大学计算机学院2019年12月17日00:33:42计算机组成原理考研辅导第4章指令系统4.2指令寻址方式4.2指令寻址方式指令寻址：顺序：PC+1跳跃：转移类指令数据寻址隐含寻址立即(数)寻址直接寻址间接寻址寄存器寻址寄存器间接寻址相对寻址：EA=(PC)+A基址寻址：EA=(基址寄存器)+A变址寻址：EA=(变址寄存器)+A堆栈寻址11分段数组变变4.2指令寻址方式：习题与本指令的地址有关的寻址方式是_____。A.立即寻址B.寄存器寻址C.相对寻址D.直接寻址12设相对寻址的转移指令占两个字节，第一个字节是操作码，第二个字节是相对位移量(用补码表示)，若CPU每当从存储器取出一个字节时，即自动完成(PC)+1→PC。若转移指令的地址(原题：当前PC的内容)为2008H，要求转移到2001H，则该转移指令第二个字节的内容为_____。A.05HB.07HC.F8HD.F7H4.2指令寻址方式：习题堆栈寻址方式中，设A为累加器，SP为堆栈指示器，MSP为SP指示的栈顶单元。如果进栈操作的动作是：(A)→MSP，(SP)-1→SP，那么出栈操作的动作应该为_____。A.(MSP)→A，(SP)+1→SPB.(SP)+1→SP，(MSP)→AC.(SP)-1→SP，(MSP)→AD.(MSP)→A，(SP)-1→SP134.2指令寻址方式：综合应用某16位机器所使用的指令格式和寻址方式如图所示。该机器有4个20位基址寄存器，16个16位通用寄存器(可用作变址寄存器)，指令汇编中的S(源)、D(目标)都是通用寄存器，M是主存的一个单元，三种指令的操作码分别是MOV(OP)=AH，STA(OP)=1BH，LDA(OP)=3CH，MOV是传送指令，STA为写数指令，LDA为读数指令。141510987430OP－目标源1510987430OP基址源变址位移量1510987430OP－目标20位地址MOVS,DSTAS,MLDAM,D1）分析三种指令格式和寻址方式特点。2）处理机完成哪一种操作所花的时间最短？哪一种最长？第二种指令的执行时间有时会等于第三种指令的执行时间吗？3）下列指令字代表什么操作？若编码不正确，如何改正？①F0F1H,3CD2H②2856H③6DC6H④1C2H4.2指令寻址方式：综合应用20位基址寄存器，16位通用寄存器(可用作变址寄存器)，MOV(OP)=AH，STA(OP)=1BH，LDA(OP)=3CH。151510987430OP－目标源1510987430OP基址源变址位移量1510987430OP－目标20位地址MOVS,DSTAS,MLDAM,D2）处理机完成哪一种操作所花的时间最短？哪一种最长？第二种指令的执行时间有时会等于第三种指令的执行时间吗？3）下列指令字代表什么操作？若编码不正确，如何改正？①F0F1H,3CD2H②2856H③6DC6H④1C2H1）分析三种指令格式和寻址方式特点。单字长二地址RR型指令。双字长二地址RS型指令。S：基址或变址寻址双字长二地址RS型指令。S：直接寻址4.2指令寻址方式：综合应用20位基址寄存器，16位通用寄存器(可用作变址寄存器)，MOV(OP)=AH，STA(OP)=1BH，LDA(OP)=3CH。161510987430OP－目标源1510987430OP基址源变址位移量1510987430OP－目标20位地址MOVS,DSTAS,MLDAM,D3）下列指令字代表什么操作？若编码不正确，如何改正？①F0F1H,3CD2H②2856H③6DC6H④1C2H2）处理机完成哪一种操作所花的时间最短？哪一种最长？第二种指令的执行时间有时会等于第三种指令的执行时间吗？第一种；第二种；不会。4.2指令寻址方式：综合应用20位基址寄存器，16位通用寄存器(可用作变址寄存器)，MOV(OP)=AH，STA(OP)=1BH，LDA(OP)=3CH。171510987430OP－目标源1510987430OP基址源变址位移量1510987430OP－目标20位地址MOVS,DSTAS,MLDAM,D3）下列指令字代表什么操作？若编码不正确，如何改正？①F0F1H,3CD2H1111000011110001B3CD2H②2856H③6DC6H④1C2H001010000101011001101101110001100000000111000010西安电子科技大学计算机学院2019年12月17日00:33:44计算机组成原理考研辅导第4章指令系统4.3CISC和RISC的基本概念4.3CISC和RISC的基本概念CISC：ComplexInstructionSetComputer，复杂指令集计算机结构用一条指令代替一串指令增加新的指令增强指令功能，设置功能复杂的指令增加寻址方式增加数据表示方式RISC：ReducedInstructionSetComputer，精简指令集计算机结构只保留功能简单的指令功能较复杂的指令用软件实现提高流水线效率194.3CISC和RISC的基本概念RISC的特点：指令系统简单指令条数少、格式少、长度固定、功能简单寻址方式少采用硬布线控制逻辑（不用或少用微程序控制）Load/Store结构只有LOAD和STORE指令可以访问存储器寄存器多寄存器窗口技术十分重视提高流水线的执行效率大部分指令可以单周期执行完成延迟转移技术十分强调优化编译技术的作用20大多数RISC机不能与老机器兼容西安电子科技大学计算机学院2019年12月17日00:33:44计算机组成原理考研辅导第5章中央处理器考研大纲（一）CPU的功能和基本结构（二）指令执行过程（三）数据通路的功能和基本结构（四）控制器的功能和工作原理1.硬布线控制器2.微程序控制器微程序、微指令和微命令微指令格式，微命令的编码方式微地址的形成方式（五）指令流水线1.指令流水线的基本概念2.指令流水线的基本实现3.超标量和动态流水线的基本概念（六）多核处理器的基本概念22西安电子科技大学计算机学院2019年12月17日00:33:45计算机组成原理考研辅导第5章中央处理器5.1CPU的功能和基本结构5.1CPU的功能和基本结构CPU的功能：指令控制操作控制时间控制数据加工中断处理24CPU的结构：运算器控制器取指令、分析指令、产生控制信号寄存器中断系统西安电子科技大学计算机学院2019年12月17日00:33:45计算机组成原理考研辅导第5章中央处理器5.2指令的执行过程5.2指令的执行过程指令周期、CPU周期(机器周期)、节拍脉冲、时钟周期指令周期的数据流取指周期间址周期执行周期中断周期265.2指令的执行过程：习题已知一台时钟频率为2GHz的计算机的CPI为1.2。某程序P在该计算机上的指令条数为4×109。若在该计算机上，程序P从开始启动到执行结束所经历的时间是4s，则运行P所用CPU时间占整个CPU时间的百分比大约是______。A.40%B.60%C.80%D.100%27(4×109×1.2)/(2×109)＝2.42.4/4＝0.65.2指令的执行过程：习题在计算机体系结构中，CPU内部包括程序计数器PC、存储器数据寄存器MDR、指令寄存器IR和存储器地址寄存器MAR等。若CPU要执行的指令为：MOVR0,#100（即将数值100传送到寄存器R0中），则CPU首先要完成的操作是_____。A.100→R0B.100→MDRC.PC→MARD.PC→IR285.2指令的执行过程：习题下列说法正确的是_____。I.指令字长等于机器字长的前提下，取指周期等于机器周期II.指令字长等于存储字长的前提下，取指周期等于机器周期III.指令字长和机器字长的长度没有任何关系IV.为了硬件设计方便，指令字长都和存储字长一样大A.II、IIIB.II、III、IVC.I、III、IVD.I、IV29西安电子科技大学计算机学院2019年12月17日00:33:46计算机组成原理考研辅导第5章中央处理器5.3数据通路的功能和基本结构5.3数据通路的功能和基本结构数据通路的功能数据通路的基本结构CPU内部总线方式：单总线、双总线、……专用数据通路方式寄存器之间的数据传送主存与CPU之间的数据传送执行算数或逻辑运算微操作在寄存器之间传送数据将数据由寄存器传送到外部界面（如系统总线）将数据由外部界面传送到寄存器以寄存器作为输入、输出，完成算数或逻辑运算315.3数据通路的功能和基本结构：习题在单总线的CPU中_____。A.ALU的两个输入端及输出端都可与总线相连B.ALU的两个输入端可与总线相连，但输出端需通过暂存器与总线相连C.ALU的一个输入端可与总线相连，其输出端也可与总线相连D.ALU只能有一个输入端可与总线相连，另一个输入端需通过暂存器与总线相连一个节拍脉冲持续的时间