计算机组成原理第9讲_指令格式解析
白中英计算机组成原理第9章
白中英计算机组成原理第9章9.1 体系结构中的并行性9.2 多线程与超线程处理机9.3 多处理机9.4 多核处理机9.5 多核处理机实例――掌握――了解――了解――了解――了解2022年10月26日星期日9.1 体系结构中的并行性9.1.1――9.1.4参见第5.6.1节并行处理技术9.1.5 并行处理机的体系结构类型指令流和数据流的不同组织方式：单指令流单数据流(SISD) 代表机型是单处理机。
单指令流多数据流(SIMD) 代表机型是向量处理机。
多指令流单数据流(MISD) 这种结构从未实现过。
多指令流多数据流(MIMD) 代表机型是多处理机和机群系统。
前者为紧耦合系统，后者为松耦合系统。
9.1 体系结构中的并行性9.1 体系结构中的并行性多处理并行机结构9.1 体系结构中的并行性9.1.6 并行处理机的组织和结构计算机系统可以在不同的层次引入并行机制。
超标量处理机和超长指令字处理机：多发射、超标量、超长指令字多处理机和多计算机：多处理机、多计算机、机群多线程处理机多核处理机(片上多处理机)9.2 多线程与超线程处理机2022年秋，英特尔公司推出一款采用超线程(Hyper Threading, HT)技术的Pentium 4处理机，原有的单个物理内核经过简单扩展后被模拟成两个逻辑内核。
9.2.1 指令级并行与线程级并行超标量处理机的水平浪费与垂直浪费垂直浪费如：资源冲突会导致不能继续执行新指令水平浪费如：指令相关导致多条流水线中部分流水线被闲置9.2 多线程与超线程处理机硬件线程的概念并行的概念就从指令级并行扩展至线程级并行多线程处理机的具体的实现方法又可分为：细粒度多线程(交错多线程)处理机粗粒度多线程(阻塞多线程)处理机O9.2.2同时多线程结构同时多线程(Simultaneous Multithreading, SMT) 结合了超标量技术和细粒度多线程技术的优点，允许在一个时钟周期内，处理机可以执行来自不同线程的多条指令，因而可以同时减少水平浪费和垂直浪费。
《计算机组成原理》教学课件 第九章
式大大提高了CPU的工作效率，但是需要花费更多的硬件。
(5)
I/O处理机方式：I/O处理机又称外围处理机，它基本独立于主机工作，即可完
成I/O通道要完成的I/O控制，又可完成码制变换、格式处理、数据块检错等操作。
概述
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其中，程序查询方式和程序中断方式主要用于数据传输率比较低的外围设备，而 DMA方式、I/O通道方式和I/O处理机方式主要用于数据传输率比较高的设备。
概述
外围设备 01
外围设备包括利用光、电、磁、机械等原理制
成的各种设备，将信息转换为二进制数码的表示形式。 在第8章中已详细介绍。
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概述
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设备控制器 02
设备控制器的功能是将外围设备生成的各种形式的二进制数码转换成电信 号，并根据输入信号的要求，对设备的运行进行控制。设备控制器属于外围设备
I/O过程的 程序直接控制
I/O过程的程序直接控制
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I/O过程的程序直接控制的特点是I/O过程完全处于CPU指令控制下，即外围设备的
有关操作（如启动、停止、传送开始等）都要由CPU指令直接指定。在典型情况下，I/O操作在 CPU寄存器与外围设备（或接口）的数据缓冲寄存器间进行，I/O设备不直接访问主存。采用程序
的一个组成部分，是该外围设备与计算机连接的界面。
概述
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I/O接口 03
I/O接口用来完成外围设备与CPU交换信息时在速度、代码形式上的相互匹 配。在CPU中，数据和外围设备的传送速度相差悬殊。二进制数据是并行传输的，并且有标
准的电位要求，而外围设备因其种类的不同，其数据的传输方式有串行的，有并行的，还有 串并行的。
状态上，故只适用于CPU不忙且数据传送速度要 求不高的系统。
计算机组成原理中的指令与指令集
计算机组成原理中的指令与指令集计算机组成原理是计算机科学与技术专业的一门基础课程，旨在介绍计算机系统的各个组成部分及其工作原理。
在这门课程中，指令与指令集是其中一个重要的内容，它涉及到计算机的指令执行过程和指令的编码方式。
一、指令的基本概念和作用指令是计算机程序中最基本的执行单位，它是计算机硬件中能够被执行的操作。
指令包括了操作码和操作数两个部分，操作码指明了要执行的操作类型，而操作数指明了操作码要操作的数据。
指令的作用是通过对数据的操作和处理来实现程序的功能。
不同的指令可以完成不同的操作，例如数据传输、运算、逻辑判断等。
通过不同的指令的组合和执行，计算机可以完成各种复杂的任务。
二、指令格式与编码方式指令的格式和编码方式是计算机硬件设计中的关键问题，它涉及到指令的存储、传输和执行等方面。
常见的指令格式包括固定格式、可变格式和寄存器-存储器格式等，不同的指令格式适用于不同的计算机体系结构。
指令的编码方式是指将指令的各个部分和参数按照特定的规则编码成二进制数。
根据指令的长度不同，编码方式可以分为定长编码和变长编码。
定长编码将所有指令都表示为相同长度的二进制数，这样可以简化指令的解码过程；而变长编码可以根据指令的需要灵活地分配不同长度的二进制数。
三、指令集的组成和分类指令集是一组用于描述计算机指令的规范，它包括了计算机所能执行的所有指令的集合。
指令集可以根据不同的要求和功能进行分类，常见的分类方式包括RISC指令集和CISC指令集。
RISC（Reduced Instruction Set Computers）指令集是一种精简指令集，它的设计原则是将指令集的数量减少到最小，并且每条指令的执行时间相当。
RISC指令集的特点是指令简单、指令执行时间短、流水线技术应用广泛等。
CISC（Complex Instruction Set Computers）指令集是一种复杂指令集，它的设计原则是将常用的操作通过单条指令来完成，以减少程序的长度和执行时间。
计算机组成原理(李小勇)第9章-PPT精品文档
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9.1.4操作系统的硬件环境 存储管理：系统硬件通过存储管理部件支持操作 系统实现多级存储体系和存储保护功能。在后 面将详尽讨论与存储管理相关的问题。
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2019/3/23
9.2 调度
9.2.1进程 1、进程的概念： 操作系统除了负责管理用户程序的执行外，也需要处 理各种系统任务。在操作系统中，通常使用进程 (process)这一概念描述程序的动态执行过程。 程序是静态实体； 进程是动态实体，是执行中的程序。进程不仅仅包 含程序代码，也包含了当前的状态（这由程序计数 器和处理机中的相关寄存器表示）和资源。因此， 如果两个用户用同样一段代码分别执行相同功能的 程序，那么其中的每一个都是一个独立的进程。虽
操作系统是管理计算机资源并为用户 提供服务的系统软件，作为硬件与应用软件 之间的接口，操作系统起着承上启下的作用。 了解操作系统与硬件之间的相互关系有助于 理解计算机系统的整体工作过程。本章仅就 操作系统与硬件关系最密切的处理机调度与 存储管理问题进行讨论。
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2019/3/23
9.1操作系统概述
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9.1.2操作系统的功能
操作系统的核心任务：管理计算机系统中的资源。 从资源管理的角度来看，作为资源管理器的操作系 统对计算机硬件资源的管理主要体现在以下三个 方面： 处理器管理 存储器管理 设备管理
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2019/3/23
9.1.2操作系统的功能
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9.2.2 调度的层次
调度的层次： 高级调度：作业调度 中级调度：内存调度 低级调度：进程调度
计算机组成原理 指令
8086/8088指令除串操作指令外，所有指令只允许有一个操作数在存储器中。
1. 传送类指令（数据传送指令，专用累加器传送指令，标志位传送指令，地址传送指令）（一）数据传送指令（1） MOV数据传送指令指令格式：MOV DST，SRC；操作数可以是字节、字，源、目的操作数位数必须一致且不能同时在存储器中。
源操作数：可在通用R、段R、存储器中、或为立即数。
目的操作数：不能为立即数。
目的地址是段R名时，源操作数不能是立即数（立即数不能直接传给段R）段R 间不能直接传送数据。
例 1：立即数送R或存储单元• MOV AH，2AH；字节传送；• MOV CX，1234H；字传送；• MOV DA_BYTE, 02FH; 字节传送；• MOV DA_WORD,1020H; 字传送;例 2: 寄存器之间传送 MOV AL, BL; MOV ES, AX;例 3:R 与 M 之间传送。
MOV AL, DB_BYTE例 4: 把DA_BYTE1字节单元内容传送到DA_BYTE2字节单元中。
MOV AH, DA_BYTE1MOV DA_BYTE2, AH例 5: 把立即数1020H传送给DS ,ES。
MOV AX , 1020HMOV DS , AXMOV ES , AX（2）XCHG交换指令XCHG DST, SRC(SRC DST) 将源地址的内容与目的地址内容相互交换。
交换数据可为字、字节，只能在通用R之间或R 与M 之间进行。
不能使用段R、立即数。
例、数据段中定义了两个字变量VAR1和VAR2，（VAR1）= 1234H，（VAR2）= 5678H；将这两个字单元内容互换。
MOV AX，VAR1 XCHG VAR2，AX MOV VAR1，AX（或：XCHG VAR1，AX）（3）PUSH进栈指令格式：PUSH SRC<1> 8086的堆栈由SS指定的一段存储器（ 64KB）构成。
自下向上生成的堆栈。
计算机组成原理与系统结构课件ch9 输入输出系统
° 假定每个扇区512字节， 磁盘转速为5400 RPM，广告声称寻道时间为12 ms, 数 据传输率为40 MB/s, 磁盘控制器开销为1 ms, 不考虑排队时间，则磁盘响应时间 为多少？
Disk Response Time= Seek time + Rotational Latency + Transfer time
扇区
磁道
磁盘表面被 分为许多同 心圆，每个 同心圆称为 一个磁道。 每个磁道都 有一个编号， 最外面的是 0磁道
注：所谓磁盘的格式化操作，就是在盘面上划分磁道和扇区，并在
扇区中填写扇区号等信息的过程
io.14
2020年4月5日星期日
如何增大磁盘片的容量？
° 提高盘片上的信息记录密度！ • 增加磁道数目——提高磁道密度 • 增加扇区数目——提高位密度，采用可变扇区数 道密度
2020年4月5日星期日
磁盘响应时间计算举例 （续）
° 假定每个扇区4K字节， 其它条件不变
Disk Response Time= Seek time + Rotational Latency + Transfer time + Controller Time + Queuing Delay
= 12 ms + 0.5 / 5400 RPM + 4 KB / 40 MB/s + 1 ms + 0 = 12 ms + 5.5 ms + 0.1 ms + 1 ms + 0 ms = 18.6 ms
• 数据记录方式按照写电流波形的极性、频率和相位的不同有：
- 归零制（RZ）：写1用正脉冲，写0用负脉冲，一位信息写完后，电流总 回到零，又叫双向归零制或典型归零制
计算机组成原理9PPT课件
2021/3/9
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二、支持程序查询方式的接口电路
程序查询方式对接口控制电路的要求最简 单，主要要求设置两个状态触发器，以供CPU查 询用。这两个触发器是：
完成（就绪）触发器D： D = 1——工作完成（准备就绪）； = 0——工作未完成；
工作（忙）触发器B： B = 1——正在工作（忙）； = 0——空闲；
2021/3/9
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程序查询方式的接口电路及控制流程
以输入为例
数据线 ⑥ 准备就绪 ⑤
启动命令 ①
& 地址线
DBR
D
B
Q
Q
01
10
SEL
设备选择电路
③ 输入数据 ②
启动设备
④
设备工作 结束
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例9-1
某计算机处理器主频为50MHz，采用定时查询方式控制设备
注意： I/O接口和I/O端口是两个不同的概念。一个接口 中往往包含若干个端口，因此接口地址往往包含 有若干个端口地址。
2021/3/9
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系统总线中I/O接口经常连接的信号线有：
1）数据线：用于传送数据，一般以字或 字节为单位连接；
2）设备选择线：用于传送设备地址，其 位数与I/O指令中的设备码位数有关，通常利用地 址总线的一部分组成；
I/O接口
数据 缓冲 寄存器
DBR
控 制 逻 辑
设备
与 中
状态 断
标记
端口地 址译码
命令 寄存器
和 命令 译码器
数据
命令
外 部
计算机组成原理基本名词解释
指令: 要计算机执行某种操作的命令字长:字长是指计算机的CPU能够直接处理的二进制数据的位数，直接关系到计算机的精确度、功能和速度。
指令流、数据流：指令和数据统统放在内存中,从形式上看,它们都是二进制数码。
一般来讲，在取指周期中从内存读出的信息是指令流,它流向控制器；而执行周期中从内存读出的信息流是数据流,它由内存流向运算器。
接口：接口部件在它动态联接的两个功能部件起着缓冲器和转换器的作用，以便实现信息传送SRAM：静态读写存储器，半导体随机读写存储器EEPROM：电擦可编程只读存储器并行存储器：采用时间或空间并行技术的存储器，提高CPU和主存之间的数据传输率（双端口存储器，多体交叉存储器）相联存储器：不根据地址而是根据存储内容来进行存取的存储器多体交叉存储器：由多个相互独立、容量相同的存储体构成的并行存储器，每个存储体独立工作，读写操作重叠进行。
Cache：高速缓冲存储器，是为解决CPU和主存之间速度不匹配而采用的意向硬件技术。
规格化数：规格化数是浮点数的一种格式，要求尾数部分用纯小数表示，小数点后的第一位不为零，以表示较多的有效数据，并使数据有惟一的浮点数编码。
上溢：两个正数相加，结果大于机器字长所能表示的最大正数下溢：两个负数相加，结果小于机器字长所能表示的最小负数全相联映像：将主存中的一个块和块的内容一起存入cache的行中，其中块地址存与cache 的标记部分中组相联映像：cache的一种地址映象方式，将存储空间分成若干组，各组之间是直接映象，而组内各块之间则是全相联映象。
虚拟存储器：在内存与外存间建立的层次体系，使得程序能够像访问主存储器一样访问外部存储器，主要用于解决计算机中主存储器的容量问题。
RISC：精简指令系统计算机CISC：复杂指令系统计算机寻址方式：形成操作数或指令地址的方式，通常分为两类，即指令寻址方式和数据寻址方式；变址寻住：相对寻址：指令格式：是指令字用二进制代码表示的结构形式，通常由操作码字段和地址码字段组成。
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目的操作数
其操作表达式为：（A1）OP（A2）→A1
盛建伦jlsheng@
源操作数
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(3) 一地址指令 One- Address Instruction 格式： OPCODE A
一地址指令常被称为“单操作数指令”，实际上它有两种情况。
一是参与操作的只有一个操作数，在对地址A所指定的操作 数执行OPCODE规定的操作后，产生的结果仍存回到该地址中。 例如，加1、减1、求反、(移位)等都是单操作数指令。 二是参与操作的有两个操作数，其中一个是隐含的。 例如，一些对两个操作数进行算术逻辑运算的指令也采用这 种格式。此时，另一个操作数（目的操作数）隐含在累加器中， 指令执行后目的操作数为操作结果取代。 又如，堆栈操作指令也是有2个操作数的一地址指令，在指 令中给出了一个操作数地址，另一个操作数隐含在栈顶。
这种格式能有效地压缩程序中操作码的平均长度。但将增加指 令译码和分析的难度，使控制器的设计复杂化。 例如，操作码扩展技术， 哈夫曼编码等。
以上信息可以归纳为两类： 一是表示该指令要完成的操作，每种操作都用一个二进制形 式的代码表示，称为操作码（Operation Code)，操作码一般位于 指令字的前部。 二是描述操作数或下条指令的地址，称为地址码 (Address Code)。
盛建伦jlsheng@ 4
指令格式 Instruction Formats 指令是用来表示控制信息的一组二进制形式的代码，它应包 含与自动进行某个基本信息处理操作有关的内容。 指令的基本格式： 操作码 地址码
指令格式 Instruction Formats 寻址方式 Addressing modes 指令系统的设计方法 RISC An instruction set, or instruction set architecture (ISA), is the part of the computer architecture related to programming, including the native data types, instructions, registers, addressing modes, memory architecture, interrupt and exception handling, and external I/O.
盛建伦jlsheng@ 3
§5.2.1 指令的一般格式 计算机是通过执行指令来处理各种数据的，为了指出数据的来源、 操作结果的去向及所执行的操作，一条指令应包含下列信息：
(1) 操作的性质及功能。 (2) 操作数(Operands)的地址(Address)。 (3) 操作结果的地址。 (4) 下一条指令的地址。
指令操作码的长度（二进制位数）决定了指令系统中完成不 同操作的指令条数。 指令中的地址码字段用来指出参与操作的操作数的地址，地 址码的位数决定能够直接访问的存储空间范围。
盛建伦jlsh令中给出几个地址。 根据地址码中所给出的地址个数，可有几种不同的指令格式：
盛建伦jlsheng@ 8
操作码的编码 指令操作码通常有两种编码格式。 (1) 固定长度操作码 Fixed-Length Opcode 即操作码的长度固定，且集中放在指令字的一个字段中。
这种格式有利于简化硬件设计，减少指令译码时间。
若操作码长度为K位，则最多可有 2k 条不同指令。 (2) 可变长度操作码 Variable-Length Opcode 即操作码的长度可变，且分散地放在指令字的不同字段中。
计算机组成原理
Principles of Computer Organization
广义双语教学课程 青岛理工大学 校级精品课程
http://211.64.192.109/skyclass25/
/ec/C84/
第 5章 指 令 系 统
Chapter 5 Instruction Sets
盛建伦jlsheng@ 7
(4) 零地址指令 Zero- Address Instruction 格式： OPCODE
指令中只有操作码，没有操作数，所以也称无操作数指令。 零地址格式的指令有两种情况： ① 无需任何操作数。如空操作指令，停机指令等。 ② 操作数的地址是隐含的。 (5) 多地址指令 某些计算机设置有一些功能很强的、用于实现成批数据处理 的指令。如字符串处理指令，向量、矩阵运算指令等。为了描述 一批数据，指令中需要多个地址来指出数据存放的首地址、长度 和下标等信息。 例如，CDC STAR-100的矩阵运算指令，其地址码部分有7个 地址字段，用以指出参加运算的两个矩阵及结果的存储情况。
盛建伦jlsheng@ 2
§5.2 指令格式 Instruction Formats 指示计算机完成某一特定操作的最基本的命令称为计算机的 “指令”Instruction。 指令是计算机硬件能直接识别并执行的命令，是用机器语言 编写程序的基础工具。 一条指令能完成某种基本操作，一台计算机有几十条到几百 条不同的指令。 一台计算机的指令格式及其所有指令的集合称为该计算机的 指令系统。 指令系统表征着计算机的基本功能，是程序设计者看到的机 器的主要属性和软、硬件的主要交界面。 指令系统的设计主要包括操作类型、操作内容和指令格式的 设计。
(1) 三地址指令 Three- Address Instruction 格式： OPCODE A A A
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其中： OPCODE—操作码，A1—第一操作数地址，A2—第二 操作数地址 ，A3—操作结果的存贮地址。
其操作表达式为：（A1）OP（A2）→A3
(2) 两地址指令 Two- Address Instruction 格式： OPCODE A A