唐朔飞《计算机组成原理》复习笔记(指令系统)【圣才出品】
《计算机组成原理》唐朔飞第二版_笔记
《计算机组成原理》唐朔飞第⼆版_笔记第1章概论1，计算机系统的软硬件概念1）硬件：计算机的实体部分，它由看得见摸得着的各种电⼦元器件，各类光、电、机设备的实物组成，如主机、外部设备等。
2）软件：由⼈们事先编制的具有各类特殊功能的程序组成，分为系统软件和应⽤软件。
①系统软件⼜称为系统程序，主要⽤来管理整个计算机系统，监视服务，使系统资源得到合理的调度，⾼效运⾏。
它包括：标准程序库、语⾔处理程序（编译程序）、操作系统、、服务程序（如诊断、调试、连接程序）、数据库管理系统、⽹络软件等。
②应⽤软件⼜称应⽤程序，它是⽤户根据任务需要所编制的各种程序，如科学计算程序、数据处理程序、过程控制程序、实物管理程序。
2、计算机系统的层次结构：1）硬联逻辑级：第零级是硬联逻辑级，这是计算机的内核，由门，触发器等逻辑电路组成。
2）微程序级：第⼀级是微程序级。
这级的机器语⾔是微指令集，程序员⽤微指令编写的微程序，⼀般是直接由硬件执⾏的。
3）传统机器级：第⼆级是传统机器级，这级的机器语⾔是该机的指令集，程序员⽤机器指令编写的程序可以由微程序进⾏解释。
操作4）系统级：第三级是操作系统级，从操作系统的基本功能来看，⼀⽅⾯它要直接管理传统机器中的软硬件资源，另⼀⽅⾯它⼜是传统机器的延伸。
5）汇编语⾔级：第四级是汇编语⾔级，这级的机器语⾔是汇编语⾔，完成汇编语⾔翻译的程序叫做汇编程序。
6）⾼级语⾔级：第五级是⾼级语⾔级，这级的机器语⾔就是各种⾼级语⾔，通常⽤编译程序来完成⾼级语⾔翻译的⼯作。
7）应⽤语⾔级：第六级是应⽤语⾔级，这⼀级是为了使计算机满⾜某种⽤途⽽专门设计的，因此这⼀级语⾔就是各种⾯向问题的应⽤语⾔。
把计算机系统按功能分为多级层次结构，就是有利于正确理解计算机系统的⼯作过程，明确软件，硬件在计算机系统中的地位和作⽤。
3、计算机组成和计算机体系结构1）计算机体系结构：是指那些能够被程序员所见到的计算机系统的属性，即概念性的结构与功能特性。
唐朔飞《计算机组成原理》复习笔记(计算机的发展及应用)【圣才出品】
第2章计算机的发展及应用
2.1复习笔记
一、计算机的产生和发展
1．第一代电子管计算机
2．第二代晶体管计算机
3．第三代集成电路计算机
4．微型计算机的出现和发展
微型计算机解决处理器和内存外设速度不匹配的方法为：
（1）处理器与主存之间解决方案：加宽数据总线的宽度，在主存和处理器之间设置高速缓冲存储器（Cache）并发展成片内Cache和分级Cache，采用高速总线和分层总线来缓冲和分流数据，从而提高处理器和存储器之间的连接带宽。
（2）处理器和外设之间解决方案：通过各种缓冲机制、加上高速互连总线以及更精致的总线结构来解决它们之间传输速率的不匹配问题。
5．软件技术的兴起和发展
软件发展有以下几个特点。
①开发周期长；
②制作成本昂贵；
③检测软件产品质量的特殊性。
二、计算机的应用
1．科学计算和数据处理
（1）科学计算
科学计算的特点是计算量大和数值变化范围大。
（2）数据处理
大量的数据信息，由计算机收集、存储、整理、检索、统计、修改、增删等，由此获得某种决策数据或趋势。
2．工业控制和实时控制
3．网络技术的应用
网络技术的基础是计算机技术与通信技术的结合，通常有：
①电子商务；
②网络教育；
③敏捷制造。
4．虚拟现实
5．办公自动化和管理信息系统
6．CAD/CAM/CIMS 8．多媒体技术9．人工智能。
唐朔飞《计算机组成原理》课后习题详解(指令系统)【圣才出品】
7.2课后习题详解1．什么叫机器指令？什么叫指令系统？为什么说指令系统与机器的主要功能以及与硬件结构之间存在着密切的关系？答：机器语言是由一条条语句组成，每一条语句都能准确地表达某种语义。
人们习惯将每一条机器语言的语句称为机器指令，而将所有机器指令的集合称为机器的指令系统。
计算机实现全自动工作就是通过连续执行每一条机器语句。
计算机设计人员主要研究如何确定机器的指令系统以及如何使用硬件电路、芯片、设备来实现机器指令系统的功能。
计算机用户使用汇编语言根据机器提供的指令系统编译各种程序。
根据机器指令系统描述的机器功能，计算机用户可以清楚地了解计算机内部寄存器一存储器的结构，以及计算机可以直接支持的各种数据类型。
因此，指令系统与机器的主要功能以及与硬件结构密切相关。
2．什么叫寻址方式？为什么要学习寻址方式？答：寻址方式：指的是确定本条指令的数据地址和下一条要执行的指令地址的方法。
它与硬件结构密切相关，直接影响指令的格式和功能。
寻址方法可分为指令寻址和数据寻址。
指令寻址相对简单，可以分为两种类型：顺序寻址和跳转寻址：顺序寻址可以通过程序计数器PC加1来自动形成下一条指令的地址；跳跃寻址则通过转移类指令实现。
有许多种数据寻址方法，必须在指令字中设置字段以指明是哪一种寻址方式。
指令的地址码字段通常不代表操作数的实际地址，它被称为形式地址并记为A。
操作数的实际地址称为有效地址，记为EA。
它是由寻址方式和形式地址共同来确定的。
学习寻址方式目的：从高级语言的角度考虑问题，机器指令的寻址方式对用户来说并不重要，但一旦使用汇编语言，用户要想正确编程，只有理解并掌握了寻址方式，否则程序将无法正常运行。
如果程序员参与机器指令系统的设计，那么理解用于确定机器指令格式的寻址方式是必不可少的。
从另一个角度来看，如果我们对机器指令的寻址方式有了透彻的了解，程序员将进一步加深对机器中信息流程和整机工作概念的理解。
3．什么是指令字长、机器字长和存储字长？答：指令字长：指令字取决于操作数代码的长度、操作数地址的长度和操作数地址的数量。
唐朔飞《计算机组成原理》(第2版)【教材精讲】 第1章 计算机系统概论【圣才出品】
第一部分教材精讲[视频讲解]第1章计算机系统概论[视频讲解]1.1计算机系统简介1.1.1计算机的软硬件概念计算机系统由“硬件”和“软件”两大部分组成。
所谓“硬件”，是指计算机的实体部分，它由看得见摸得着的各种电子元器件，各类光、电、机设备的实物组成，如主机、外部设备等。
所谓“软件”，它看不见摸不着，由人们事先编制的具有各类特殊功能的程序组成。
通常把这些程序寄寓于各类媒体，它们通常存放在计算机的主存或辅存内。
由于“软件”的发展不仅可以充分发挥机器的“硬件”功能，提高机器的工作效率，而且已经发展到能局部模拟人类的思维活动，因此在整个计算机系统内，“软件”的地位和作用已经成为评价计算机系统性能好坏的重要标志。
当然，“软件”性能的发挥也必须依托“硬件”的支撑。
因此，概括而言，计算机性能的好坏取决于“软”、“硬”件功能的总和。
计算机的软件通常又可以分为两大类：系统软件和应用软件。
系统软件又称为系统程序，主要用来管理整个计算机系统，监视服务，使系统资源得到合理调度，高效运行。
它包括：标准程序库、语言处理程序（如将汇编语言翻译成机器语言的汇编程序或将高级语言翻译成机器语言的编译程序）、操作系统（如批处理系统、分时系统、实时系统）、服务程序（如诊断程序、调试程序、连接程序等）、数据库管理系统、网络软件等。
应用软件又称为应用程序，它是用户根据任务需要所编制的各种程序，如科学计算程序、数据处理程序、过程控制程序、事务管理程序等。
1.1.2计算机系统的层次结构现代计算机的解题过程如下。
通常由用户用高级语言编写程序（称为源程序），然后将它和数据一起送入计算机内，再由计算机将其翻译成机器能识别的机器语言程序（称为目标程序），机器自动运行该机器语言程序，并将计算结果输出。
其过程如图l．1所示。
图1.1计算机的解题过程实际上，早期的计算机只有机器语言（用0、l代码表示的语言），用户必须用二进制代码（0、1）来编写程序（即机器语言程序）。
计算机组成原理(唐朔飞)复习资料.docx
第1章计算机系统概论1 •什么是计笄机系统.计翼机硬件和计斃机软件？硬件和软件哪个更巫要？解：P3计算机系统：由计算机硕件系统和软件系统组成的综合体.计篦机硬件：拆计篦机中的电子线路和物理装胃，计算机软件：计算机运行•所需的程序及相关资料。
硬件和软件在计并机系统中相互依存•缺一不可.因此同样車要。
2.如何理解计订机的层次结构？答：计箕机皎件.系统软件和应用软件构成了计箕机系统的三个层次结构.<1）便件系统是最内层的，它是整个计算机系统的基础和核心。
（2）系统软件在峽件之外，为用户提供一个慕本操作界而。
<3）应用软件在肢外层，为用户捉供解决具体问题的应用系统界面。
通常将硬件系统Z外的其余层称为虚拟机。
各层次Z间关系密切，上层是下层的扩展，下层是上层的基础，各层次的划分不是绝对的。
3・说明高级涪言.汇編涪言和机器语言的差别及其联系。
答：机器语言是计算机硬件能够直接识別的语飢汇编语言是机器语言的符号表示.高级语言是面向算法的语言。
高级语言编写的程序（源程序）处于最商层.必须翻译成汇编语盲.再山汇编程序汇编成机益语盲（目标程序）Z后才能被执行。
5. 冯•诺依曼计兔机的特点是什么？解：冯•诺依曼讣算机的特点是：P8•计算机山运算器、控制器、存储器、输入设备、输出设备五大部件组成；•指令和数据以同同等地位存放于存储器内，并可以按地址访问；•指令和数据均用二进制浚示；•指令山操作码.地址码两大部分组成.操作码用来表示操作的性质，地址码用来表示操作数在存储器中的位置：•指令在存储器中顺序存放•通常自动顺序取出执行：•机器以运算器为中心（原始冯•诺依曼机）。
6. 码出计算机硬件组成框图，说明各部件的作用及计篦机系统的主耍技术折标。
答：计算机硕件组成框图如下：各部件的作用如下：控制器：幣机的指挥中心，它使计绰机的各个部件自动协调工作。
运绰器：对数据侑息进行处理的部件，用來进行算术运弊和逻输运算。
存储器：存放程序和数据.足计算机实现••存储程序控制••的基础。
唐朔飞《计算机组成原理》复习笔记(控制单元的功能)【圣才出品】
第9章控制单元的功能9.1复习笔记一、微操作命令的分析1．取指周期取指令的过程可归纳为以下几个操作：（1）现行指令地址送至存储器地址寄存器，记作PC→MAR；（2）启动主存作读操作，记作I→R；（3）将MAR所指的主存单元中的内容经数据总线读至MDR内，记作M(MAR)→MDR；（4）将MDR的内容送至IR，记作MDR→IR；（5）指令的操作码送至CU译码，记作OP(PC)→CU；（6）形成下一条指令的地址，记作(PC)+1→PC。
2．间址周期间址周期完成取操作数有效地址的任务，具体操作如下：（1）将指令的地址码部分送至存储器地址寄存器，记作Ad(IR)→MAR；（2）启动主存作读操作，记作I→R；（3）将MAR所指的主存单元中的内容经数据总线读至MDR内，记作M(MAR)→MDR；（4）将有效地址送至指令寄存器的地址字段，记作MDR→Ad(IR)。
3．执行周期不同指令执行周期的微操作是不同的，下面分别讨论非访存指令、访存指令和转移类指令的微操作：（1）非访存指令①清除累加器指令CLA②累加器取反指令COM③算术右移一位指令SHR④循环左移一位指令CSL⑤停机指令STP（2）访存指令①加法指令ADD Xa．将指令的地址码部分送至存储器地址寄存器，记作Ad(IR)→MAR；b．启动主存作读操作，记作I→R；c．将MAR所指的主存单元中的内容经数据总线读至MDR内，记作M(MAR)→MDR；d．给ALU发送加命令，将ACC的内容和MDR的内容相加，结果存于ACC，记作(ACC)+(MDR)→ACC；②存数指令STA Xa．将指令的地址码部分送至存储器地址寄存器，记作Ad(IR)→MAR；b．启动主存作写操作，记作I→W；c．将累加器内容送至MDR，记作ACC→MDR；d．将MDR的内容写入到MAR所指的主存单元中，记作MDR→M(MAR)。
③取数指令LDA Xa．将指令的地址码部分送至存储器地址寄存器，记作Ad(IR)→MAR；b．启动主存作读操作，记作I→R；c．将MAR所指的主存单元中的内容经数据总线读至MDR内，记作M(MAR)→MDR；d．将MDR的内容送至ACC，记作MDR→ACC。
(完整版)计算机组成原理知识点总结(唐朔飞版)
1、硬件：输入输出设备，控制器，存储器，运算器。
2、计算机技术指标：机器字长、存储容量、运算速度。
3、多总线结构的原理：双总线结构特点是将速度较低的I/O设备从单总线上分离出来，形成主存总线和I/O总线分开的结构。
三总线1由主存总线用于CPU与主存之间的传输，I/O总线供CPU与各类I/O 设备之间传递信息，DMA总线用于高速IO设备与主存之间直接交换信息，任意时刻只能用一种总线，主存总线与DMA总线不能同时对主存进行存取。
三总线2CPU与Cache之间构成局部总线，而且还直接连到系统总线上，cache可通过系统总线与主存传输信息，还有一条扩展总线可以连接IO设备。
四总线由局部总线，系统总线，告诉总线，扩展总线构成。
4、总线判优分为集中式和分布式两种，集中式分为链式查询、计数器定时查询、独立请求方式（排队器）5、总线通信控制的四种方式：同步通信，异步通信，半同步通信，分离式通信。
6、波特率是每秒传输的位数，比特率是每秒传输的有效数据位数（bps）7、存储器技术指标：存储速度，存储容量和位价。
8、存储器分为主存，闪存，辅存和缓存。
9、分层原因：1缓存-主存层解决CPU与主存速度不匹配问题；2主存-辅存层解决系统存储容量的问题。
10、主存的技术指标：存储容量，存储速度（存取时间和存取周期表示）。
11、存储器带宽的计算方法：如存取周期为500ns，每个存取周期可访问16位，则带宽为32M位/秒。
带宽是衡量数据传输率的重要技术指标。
12、动态RAM的刷新方式：集中刷新（是在规定的一个刷新周期内，对全部存储单元集中一段时间逐行进行刷新，此刻必须停止读写操作‘死时间’）分散刷新（指对每行存储单元的刷新分散到每个存取周期内完成。
不存在死时间，整个系统速度降低）异步刷新（前两种方式的结合，即可缩短死时间，又充分利用最大刷新间隔为2ms的特点）。
13、动态RAM集成度远高于静态RAM；动态RAM行列地址按先后顺序输送，减少了芯片引脚，封装尺寸也减少；动态RAM功耗比静态RAM小；动态RAM的价格比静态RAM便宜；由于使用动态元件，因此速度比静态RAM低；动态RAM需要再生，需配置再生电路，也需要消耗一部分功率。
唐朔飞《计算机组成原理》复习笔记(CPU的结构和功能)【圣才出品】
第8章CPU的结构和功能8.1复习笔记一、CPU的结构1．CPU的含义CPU实质包括运算器和控制器两大部分。
CPU必须具有控制程序的顺序执行（称指令控制）、产生完成每条指令所需的控制命令（称操作控制）、对各种操作加以时间上的控制（称时间控制）、对数据进行算术运算和逻辑运算（数据加工）以及处理中断等功能。
2．CPU结构框图CPU的内部结构如图8-1所示。
图8-1CPU内部结构图3．CPU的寄存器CPU中的寄存器大致可分两类：一类属于用户可见寄存器，用户可对这类寄存器编程，以及通过优化使CPU因使用这类寄存器而减少对主存的访问次数；另一类属于控制和状态寄存器，用户不可对这类寄存器编程，它们被控制部件使用，以控制CPU的操作，也可被带有特权的操作系统程序使用，从而控制程序的执行。
（1）用户可见寄存器①通用寄存器通用寄存器可由程序设计者指定许多功能，可用于存放操作数，也可作为满足某种寻址方式所需的寄存器。
②数据寄存器③地址寄存器④条件码寄存器（2）控制和状态寄存器①MAR：存储器地址寄存器，用于存放将被访问的存储单元的地址。
②MDR：存储器数据寄存器，用于存放欲存入存储器中的数据或最近从存储器中读出的数据。
③PC：程序计数器，存放现行指令的地址，通常具有计数功能。
④IR：指令寄存器，存放当前欲执行的指令。
4．控制单元控制单元（CU）是提供完成计算机全部指令操作的微操作命令序列部件。
二、指令周期1．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称为指令周期，即CPU完成一条指令的时间。
一个完整的指令周期应包括取指、间址、执行和中断4个子周期。
间址周期和中断周期不一定包含在每个指令周期内。
这4个周期又可称为CPU的工作周期，为了区别它们，在CPU内可设置4个标志触发器，如图8-2所示。
图8-2CPU工作周期的标志图8-2所示的FE、IND、EX和INT分别对应取指、间址、执行和中断4个周期，并以“1”状态表示有效，它们分别由1→FE、1→IND、1→EX和1→INT这4个信号控制。
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第7章指令系统
7.1复习笔记
一、机器指令
一条指令的结构可用如下形式来表示：
1．操作码
指令的操作码OP表示该指令应进行何种性质的操作。
每一个包含n位的操作码最多能够表示2的n次幂条指令，其通常是固定的。
2．地址码
按照地址码个数来分，指令可分为4类，如图7-1所示。
图7-14种指令格式
（1）零地址
零地址指令的指令字中只有操作码，没有地址码（如停机指令）。
（2）一地址指令
一地址指令只有一个地址码，它指定一个操作数地址，另一个操作数地址是隐含的（如运算器的累加寄存器）。
（3）二地址指令
二地址指令常称为双操作数指令，其中地址A1兼做存放操作结果的地址，根据操作数的物理位置，可以将二地址指令格式归结为三种类型：
①存储器-存储器（SS）型指令
②寄存器-寄存器（RR）型指令
③寄存器-存储器（RS）型指令
（4）三地址指令
三地址指令有三个操作数，其中A1与A2分别为源操作数地址和操作数地址，A3为操作结果的地址。
3．指令字长度
一个指令字中包含二进制代码的位数，称为指令字长度，而机器字长是指计算机能直接处理的二进制数据的位数，它决定了计算机的运算精度。
根据指令字长
①指令字长度等于机器字长度的指令，称为单字长指令；
②指令字长度等于半个机器字长度的指令，称为半字长指令；
③指令字长度等于两个机器字长度的指令，称为双字长指令。
二、操作数类型和操作类型
1．操作数类型
机器指令对数据进行操作，数据通常分以下四类：
（1）地址数据
（2）数值数据
①定点整数或定点小数；
②浮点数；
③压缩十进制数，一个字节用2位BCD码表示。
（3）字符数据
字符数据也称为文本数据或字符串，目前广泛使用ASCII码。
（4）逻辑数据
一个单元中有若干二进制位项组成，每个位的值可以是1或0，用以判断“真”与“假”。
2．操作类型
（1）数据传送
数据传送包括寄存器与寄存器、寄存器与存储单元、存储单元与存储单元之间的传送。
（2）算术逻辑操作
（3）移位
（4）转移
（5）输入输出
（6）其他
三、寻址方式
1．指令寻址
指令寻址比较简单，它分为顺序寻址和跳跃寻址两种：
（1）顺序寻址可通过程序计数器PC加1，自动形成下一条指令的地址；
（2）跳跃寻址则通过转移类指令实现。
2．数据寻址
数据寻址方式种类较多，在指令字中必须设一字段来指明属于哪一种寻址方式。
指令的地址码字段通常都不代表操作数的真实地址，把它称为形式地址，记作A。
操作数的真实地址称为有效地址，记作EA，它是由寻址方式和形式地址共同来确定的。
（1）立即寻址
立即寻址的特点是操作数本身设在指令字内，即形式地址A不是操作数的地址，而是操作数本身，又称之为立即数。
优点在于只要取出指令，便可立即获得操作数，这种指令在执行阶段不必再访问存储器。
显然A的位数限制了这类指令所能表述的立即数的范围。
（2）直接寻址
直接寻址的特点是，指令字中的形式地址A就是操作数的真实地址EA，即EA=A。
优点是寻找操作数比较简单，也不需要专门计算操作数的地址，在指令执行阶段对主存只访问一次。
它的缺点在于A的位数限制了操作数的寻址范围，而且必须修改A的值，才能修改操作数的地址。
（3）隐含寻址
隐含寻址是指指令字中不明显地给出操作数的地址，其操作数的地址隐含在操作码或某个寄存器中。
（4）间接寻址
倘若指令字中的形式地址不直接指出操作数的地址，而是指出操作数有效地址所在的存储单元地址，也就是说，有效地址是由形式地址间接提供的，即为间接寻址。
（5）寄存器寻址
在寄存器寻址的指令字中，地址码字段直接指出了寄存器的编号。
由于操作数不在主存中，故寄存器寻址在指令执行阶段无须访存，减少了执行时间。
由于地址字段只需指明寄存器编号(计算机中寄存器数有限)，故指令字较短，节省了存储空间，因此寄存器寻址在计算机中得到广泛应用。
（6）寄存器间接寻址
在寄存器间接寻址中，地址码字段直接给出了寄存器编号，但是寄存器中存放的不是操作数，而是操作数在内存中的地址。
（7）基址寻址
基址寻址需设有基址寄存器，其操作数的有效地址等于指令字中的形式地址与基址寄存器中的内容（称为基地址）相加。
（8）变址寻址
变址寻址与基址寻址极为相似。
其有效地址等于指令字中的形式地址与变址寄存器的内容相加之和。
（9）相对寻址
相对寻址的有效地址是将程序计数器PC的内容（即当前指令的地址）与指令字中的形式地址A相加而成。
相对寻址常被用于转移类指令，转移后的目标地址与当前指令有一段距离，称为相对位移量，它由指令字的形式地址A给出，故A又称位移量。
（10）堆栈寻址
堆栈寻址要求计算机中设有堆栈。
堆栈既可用寄存器组来实现，也可利用主存的一部分空间作堆栈。
堆栈的运行方式为先进后出或后进先出两种，先进后出型堆栈的操作数只能从一个口进行读或写。
四、RISC技术
1．RISC
RISC即精简指令系统计算机，与其对应的是CISC，即复杂指令系统计算机。
2．RISC的主要特征
RISC与CISC的特征对比如表7-1所示。
表7-1RISC与CISC的特征对比。