8.1 2 2.2 .2 指指 令令 系系 统统 2.2.1 基本概念 指令：驱使计算机执行某种操作的命令 指令系统：计算机所有指令的集合 不同计算机的指令系统是不尽相同。 指令系统决定了计算机的体系结构 指令系统设计是计算机设计的核心工作 8.2 指指 令令 系系 统统 2.2.1 基本概念 指令系统应满足的要求： 指令系统是完备的 指令系统的使用频率要高 指令编码是合理的 指令系统须采取系列设计 8.3 2.2.2 指令字长和指令格式 机器字长： 计算机能直接处理的二进制数据的位数 指令字长：指令中包含的二进制代码的位数 单字长指令：指令字长和机器字长相等 双字长指令：指令子长度是机器子长的两倍 多字长指令 指令格式：由操作码和操作数组成 操作码操作数/操作数地址 8.4 操作码：决定了操作的类型 操作（助记符）操作码编码（二进制） 加法 ADD000 减法 SUB001 乘法 MUL010 除法 DIV011 逻辑与 AND100 取数 LD101 存数 MOV110 停机 STOP111 8.5 操作数 无操作数指令 有操作数指令 操作码 操作码操作数1/操作数地址1操作数n/操作数地址n 8.6 2 2. 3 . 3 中央处理器中央处理器 C P UC P U 2.3.1 中央处理器的组成 1.运算器 2.控制器 3.寄存器组 4.访存地址寄存器MAR 5.访存数据寄存器MDR 8.7 C P UC P U 的的 寄寄 存存 器器 n用户可见的寄存器 累 加 器 ( Accumulator, AC ) 程序计数器 ( Program Counter, PC ) 访存地址寄存器 MAR 访存数据寄存器 MDR 通用寄存器组 ( General-Purpose Registers) 指令寄存器 ( Instruction Register, IR ) 标志寄存器 ( Flag Register, FR) . n用户不可见的寄存器 8.8 2 2.3.2 .3.2 运运 算算 器器 n运算器的组成 算术逻辑单元ALU( Arithmetic Logic Unit ) 若干暂存寄存器 控制逻辑电路 8.9 A typical 32-bit ALU:A typical 32-bit ALU: ALUALU AB m ovf S 3232 32 6 c CF OF AB SUM ZF ALU operation 8.10 2 2.3.3 .3.3 C P UC P U 的的 控控 制制 器器 n控制器( Control Unit, CU )的功能 通过对指令的分析（译码），按照一定 的时序，发出控制信号，使CPU在控制信号 的驱动下，完成相应指令的功能。 8.11 2 2.3.3 .3.3 C P UC P U 的的 控控 制制 器器 nCPU的所有工作都是在控制器的指挥下完 成的。 nCPU的工作是由连续不断的指令周期组成 n每个指令周期都分为如下三个阶段： 1.取指令 Fetch Instruction 2.分析指令 Decode Instruction 3.执行指令 Execute Instruction 8.12 取指令 分析指令 执行指令 PC IR CU PCIR CU 取指 执行 PC 存放当前欲执行指令的地址 具有计数功能（PC）+ 1 PC IR 存放当前欲执行的指令 发微操作控制信号 访存 完成 一条 指令 与控制器有关的组成部件 指令 微操作控制信号 8.13 2 2.3.3 .3.3 C P UC P U 的的 控控 制制 器器 n指令周期的基本概念 CPU每取出并执行一条指令所需的 全部时间叫指令周期 取指阶段执行阶段 取指周期 (取指、分析) 执行周期 执行指令 指令周期 8.14 指令周期的比较指令周期的比较 取指周期 指令周期 无条件转移指令 JMP X 加法指令 取指周期 指令周期 执行周期 取指周期 指令周期 执行周期 乘法指令 8.15 机器周期机器周期, , 时钟周期时钟周期 n机器周期： 完成一个基本的操作（如读或写一次主存 储器）所需要的时间。 n时钟周期（节拍） 在一个机器周期里可以完成若干个微操作， 每个微操作都需要一定的时间，可以用时钟信 号来控制产生每一个微操作命令。这样一个机 器周期内就包含了若干个时钟周期，又称为节 拍。 8.16 指令周期指令周期, , 机器周期机器周期 和和 时钟周期时钟周期 的关系的关系 节拍 机器周期TT1T2TnT1T2Tn 机 器 周 期 M1机 器 周 期 M2 指 令 周 期 （包括1n个机器周期） 8.17 2 2.4 .4 计算机的工作过程计算机的工作过程 计算机的工作就是执行程序， 程序是由机器指令按照一定的顺序排列组成 所以执行程序就是反复地执行指令 执行指令的过程就是周而复始地： 取指令、分析指令和执行指令 8.18 2 2.4 .4 计算机的工作过程计算机的工作过程 例：计算 5 + 6 = ？ 运算步骤： 1. 取数 5 送累加器 AC 中 2. 累加器加上 6，结果存回累加器中 3. 累加器的值存入主存储器的某个存储单元中 4. 停机 STOP 8.19 2 2.4 .4 计算机的工作过程计算机的工作过程 设某机器的指令字长为 16 位，其中操 作码和操作数各占 8 位，如下图所示： 操 作 码 8位 操 作 数 8位 操作（助记符）操作码编码（二进制） 加法 ADD000 减法 SUB001 取数 LD101 存数 MOV110 停机 STOP111 8.20 主存单元 的地址 指 令 注 释 助记符操作码操作数 0LOAD A, 50000 01010000 0101 将5装入AC 2ADD A, 60000 00000000 0110AC加上6（结 果仍存回AC） 4MOV (8), AC0000 01100000 1000将ACC的值存 入主存储器的 第8个单元 6STOP0000 0111 停 机 8 10000010115 + 6 = 11 8.21 1 23 5 6 78 9 以从主存中取数指令为例 4 主机完成一条指令的过程 CU 控制 单元 主存储器 MDRMAR 存储体 CPU PC 控制器 IR 运算器 MQACC ALU X I/O 8.22 1 23 5 6 79 8 以向主存单元存数指令为例 4 CU 控制 单元 主存储器 MDRMAR 存储体 CPU PC 控制器 IR 运算器 MQACC ALU X I/O 主机完成一条指令的过程