计算机组成原理新5.2
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5_2计
5.2 I/O控制方式
主机 卡片机
in busy outarea inarea
打印机
out busy
output: if busy=1 then goto output; out:=outarea; 启动下一次输入
busy:=1;
initiate output device;
5.2 I/O控制方式
① 确定与中断或者异常关联的中断类型号i（0~255）
② 读idtr寄存器指向的IDT表中的第i个中断/陷阱门
③ 查找gdtr寄存器指向的GDT，以读取上述中断/陷阱
门中的段选择符所标识的段描述符。
④ 确定该中断是否符合保护性规则的要求：当前特权级
CPL的值（即CS寄存器中的特权级）大于等于处理
程序的DPL，且CPL值小于等于中断描述符门的DPL （仅当该中断是由INTO、INT n等指令引起时才检查 ）。如不满足上述规则，则系统不能进入中断或异常 处理程序，并发生异常13。
四. I/O通道控制方式
• CPU、通道、设备均可以并行工作。 • 特点：
– 进一步减少了CPU对I/O的干预（不仅数据的传输独立 于CPU，I/O操作的组织、管理和结束处理也大部分由 通道而非CPU完成）。
*多个数据块的I/O，只需CPU发一次指令，并只需中断
CPU一次。
5.3 缓冲管理
一. 缓冲的引入
特点：CPU大部分时间浪费在循环测试上。 将控制器中的状态寄存器的值busy置为1 CPU向设备控制器发I/O指令，启动设备 同 时 进 行 CPU循环测试busy的值，直到busy=0；
设备控制器控制设备执行I/O操作
I/O完成
CPU将数 据从设备 送到内存
白中英《计算机组成原理》(第5版)笔记和课后习题详解复习答案
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第1章计算机系统概论
1.1复习笔记
1.2课后习题详解
第2章运算方法和运算器
2.1复习笔记
2.2课后习题详解
第3章多层次的存储器
3.1复习笔记
3.2课后习题详解
第4章指令系统
4.1复习笔记
4.2课后习题详解
第5章中央处理器
5.1复习笔记
5.2课后习题详解
第6章总线系统
6.1复习笔记
6.2课后习题详解
第7章外存与I/O设备
7.1复习笔记
7.2课后习题详解
第8章输入输出系统
8.1复习笔记
8.2课后习题详解
第9章并行组织与结构
9.1复习笔记
9.2课后习题详解
第10章课程教学实验设计
第11章课程综合设计。
第5章计算机组成原理
• 另一种是可变格式，即操作码的长度可变， 且分散地放在指令字的不同字段中。这种 格式能有效地压缩程序中操作码的平均长 度。
• 显然，操作码长度不固定将增加指令译 码和分析的难度，使控制器的设计复杂 化，因此操作码的编码对机器性能影响 极大。通常是在指令字中用一个固定长 度的字段来表示基本操作码，而对于一 部分不需要某个地址码的指令，把它们 的操作码扩展到该地址字段，这样既能 充分利用指令字的各个字段，又能在不 增加指令长度的情况下扩展操作码的长 度，使它能表示更多的指令。
图5-2 指令格式
（2）用11110000~11111110表示15条 2地址指令的操作码，剩下的编码 11111111用于把操作码扩展到A2字段。 （3）用12位操作码编码的 111111110000~111111111110表示 15条1地址指令，剩下的编码 111111111111用于表示把操作码扩展 到A3字段。
• 假设某计算机模型有7条指令 （I1~I7），它们在程序中出现的概 率用Pi表示，如表5-1所示，则可得 相应操作码扩展方案。
指令 概率Pi（%） 操作码 操作码长度 （位） I1 47 00 2 I2 26 01 2 I3 17 10 2 I4 5 1100 4 I5 3 1101 4 I6 1 1110 4 I7 1 1111 4
• 从上述分析可知，一条指令实际上包括 两种基本信息，即操作码（operation code）和地址码（address）。其基本 格式如图5-1所示。
图5-1 指令的基本格式
• 地址码字段用来指出该指令的源操作数 的地址（一个或两个）、结果的地址以 及下一条指令的地址。这里的“地址” 可以是主存的地址，也可以是寄存器的 地址，甚至可以是I/O设备的地址。根 据地址码部分所给出地址的个数，指令 格式可分为如下几种。
• 显然，操作码长度不固定将增加指令译 码和分析的难度，使控制器的设计复杂 化，因此操作码的编码对机器性能影响 极大。通常是在指令字中用一个固定长 度的字段来表示基本操作码，而对于一 部分不需要某个地址码的指令，把它们 的操作码扩展到该地址字段，这样既能 充分利用指令字的各个字段，又能在不 增加指令长度的情况下扩展操作码的长 度，使它能表示更多的指令。
图5-2 指令格式
（2）用11110000~11111110表示15条 2地址指令的操作码，剩下的编码 11111111用于把操作码扩展到A2字段。 （3）用12位操作码编码的 111111110000~111111111110表示 15条1地址指令，剩下的编码 111111111111用于表示把操作码扩展 到A3字段。
• 假设某计算机模型有7条指令 （I1~I7），它们在程序中出现的概 率用Pi表示，如表5-1所示，则可得 相应操作码扩展方案。
指令 概率Pi（%） 操作码 操作码长度 （位） I1 47 00 2 I2 26 01 2 I3 17 10 2 I4 5 1100 4 I5 3 1101 4 I6 1 1110 4 I7 1 1111 4
• 从上述分析可知，一条指令实际上包括 两种基本信息，即操作码（operation code）和地址码（address）。其基本 格式如图5-1所示。
图5-1 指令的基本格式
• 地址码字段用来指出该指令的源操作数 的地址（一个或两个）、结果的地址以 及下一条指令的地址。这里的“地址” 可以是主存的地址，也可以是寄存器的 地址，甚至可以是I/O设备的地址。根 据地址码部分所给出地址的个数，指令 格式可分为如下几种。
《计算机组成原理》5-指令系统
◆程序的指令序列在主存顺序存放。执行时从第一条指令 开始，逐 条取出并执行，这种程序的顺序执行过程，称为 顺序寻址方式。
◆ CPU中设置程序计数器（PC）对指令的顺序号进行计 数。PC开始时存 放程序的首地址，每执行一条指令，PC 加”1”，指出下条指令的地址， 直到程序结束。
跳跃寻址 Leabharlann 转移指令指出AA22AA33
…
…
…
…
1111 1110 A2 A3
12 位操作码
1111 1111 0000 1111 1111 0001
AA33
…
…
…
…
1111 1111 1110 A3
16 位操作码
…
…
1111 1111 1111 0000 1111 1111 1111 0001 1111 1111 1111 1111
24
双字
28
双字（地址32）▲
32
双字
36
边界未对准
地址（十进制）
字( 地址2)
半字( 地址0)
0
字节( 地址7) 字节( 地址6)
字( 地址4)
4
半字( 地址10)
半字( 地址8)
8
5.2.2 数据类型
2、数据在计算机中存放方式
存储字长内部字节的次序
例： 12345678H如何存储？ 12 34 56 78H
5.3.1指令寻址
指令寻址----计算指令有效地址的方法
指令地址
指令
指令地址寻址方式
PC +1
0 LDA
11 ADD 22 DEC 33 JMP
4 LDA
5 SUB 6 INC
77 STA 88 LDA
◆ CPU中设置程序计数器（PC）对指令的顺序号进行计 数。PC开始时存 放程序的首地址，每执行一条指令，PC 加”1”，指出下条指令的地址， 直到程序结束。
跳跃寻址 Leabharlann 转移指令指出AA22AA33
…
…
…
…
1111 1110 A2 A3
12 位操作码
1111 1111 0000 1111 1111 0001
AA33
…
…
…
…
1111 1111 1110 A3
16 位操作码
…
…
1111 1111 1111 0000 1111 1111 1111 0001 1111 1111 1111 1111
24
双字
28
双字（地址32）▲
32
双字
36
边界未对准
地址（十进制）
字( 地址2)
半字( 地址0)
0
字节( 地址7) 字节( 地址6)
字( 地址4)
4
半字( 地址10)
半字( 地址8)
8
5.2.2 数据类型
2、数据在计算机中存放方式
存储字长内部字节的次序
例： 12345678H如何存储？ 12 34 56 78H
5.3.1指令寻址
指令寻址----计算指令有效地址的方法
指令地址
指令
指令地址寻址方式
PC +1
0 LDA
11 ADD 22 DEC 33 JMP
4 LDA
5 SUB 6 INC
77 STA 88 LDA
计算机组成原理第五章 中央处理器[二]
![计算机组成原理第五章 中央处理器[二]](https://360docs-1393072327.cos.ap-beijing.myqcloud.com/caef30cfce2f0066f4332201.webp)
A总线
IRi PCi ARi R/W DRi X G xi + _
CU
IR
PC
AR
M
DR R0R1 R2 R3 Y
IRo
PCo
DRo
yi
图5.15 双总线结构机器的数据通路 B总线
试画出执行以下不同指令时的指令周期流程图，并列 出相应微操作控制信号序列。 (1)ADD R2，R0; (R0)+(R2)→ R0 (2)SUB R1，R3; (R3)-(R1)→ R3
解(4):指令 MOV R3,@N 的执行阶段操作流程如下: (DR) →AR
M→DR
((N)) →R3
(DR) →AR M→DR
(DR) →R3
通过以上几种CPU结构和指令流程分析例子可 以看出，不同的指令对应不同的微操作序列。 一条指令的微操作序列不仅和指令功能有关， 而且与CPU的数据通路结构密切相关。具有相 同CPU结构的指令系统中所有指令的取指令微 操作序列是相同的。 指令流程和微操作控制信号序列的分析是设计 控制信号形成部件的基础，也是理解计算机内 部的工作过程、建立计算机整机概念的重要环 节。所以，需要大家重点掌握指令流程的分析 方法。
( R1 ) → AR
执 行
( R0 ) → DR ( MDR ) → M
略
R/W=W
xi + _
IRi PCi ARi
R/W
DRi X
A总线
控 制 器
IRo
IR
PC
AR
M
DR R0R1 R2 R3
G Y
PCo
DRo
yi
B总线ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
(3) MOV R3,@R2 ((R2)) →R3 解:该指令取值阶段操作流程及相应的控制信号同(1)的取 值部分.执行阶段的操作流程及相应的控制信号如下: 略 ( R2) → AR 执 R/W=R M→ DR 行
IRi PCi ARi R/W DRi X G xi + _
CU
IR
PC
AR
M
DR R0R1 R2 R3 Y
IRo
PCo
DRo
yi
图5.15 双总线结构机器的数据通路 B总线
试画出执行以下不同指令时的指令周期流程图，并列 出相应微操作控制信号序列。 (1)ADD R2，R0; (R0)+(R2)→ R0 (2)SUB R1，R3; (R3)-(R1)→ R3
解(4):指令 MOV R3,@N 的执行阶段操作流程如下: (DR) →AR
M→DR
((N)) →R3
(DR) →AR M→DR
(DR) →R3
通过以上几种CPU结构和指令流程分析例子可 以看出，不同的指令对应不同的微操作序列。 一条指令的微操作序列不仅和指令功能有关， 而且与CPU的数据通路结构密切相关。具有相 同CPU结构的指令系统中所有指令的取指令微 操作序列是相同的。 指令流程和微操作控制信号序列的分析是设计 控制信号形成部件的基础，也是理解计算机内 部的工作过程、建立计算机整机概念的重要环 节。所以，需要大家重点掌握指令流程的分析 方法。
( R1 ) → AR
执 行
( R0 ) → DR ( MDR ) → M
略
R/W=W
xi + _
IRi PCi ARi
R/W
DRi X
A总线
控 制 器
IRo
IR
PC
AR
M
DR R0R1 R2 R3
G Y
PCo
DRo
yi
B总线ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
(3) MOV R3,@R2 ((R2)) →R3 解:该指令取值阶段操作流程及相应的控制信号同(1)的取 值部分.执行阶段的操作流程及相应的控制信号如下: 略 ( R2) → AR 执 R/W=R M→ DR 行
计算机组成原理 第五章 指令系统
示例1,假设某机器的指令长度为16位，包括4位基 本操作码和三个4位地址码段。
15…12 11…8 7…4 3…0
OP
A1
A2 A3
4位基本操作码可表示16个状态，因此如用4位操 作码则能表示16条三地址指令。
用8位操作码则可表示256条二地址指令。
用12位操作码则可表示4096条一地址指令。
2011年9月
2011年9月
4
1. 20世纪50年代和60年代早期
指令系统一般只有定点加减、逻辑运算、数据传送和转移等 十几至几十条最基本的指令，而且寻址方式简单。
2. 60年代中、后期
除了具有以上最基本的指令以外，还设置了乘除法运算指 令、浮点运算指令、十进制运算指令以及字符串处理指令等， 指令数多达一、二百条，寻址方式也趋于多样化。
例： [A1]+[A2]→[A3]，其中[A1]、[A2]为 源地址，[A3]为目的地址，操作后源地址内容 不变仅被拷贝
多地址指令：用于实现成批数据处理。
2011年9月
10
3、指令操作码的编码格式
指令操作码的位数限制指令系统中完成操作的指 令条数。
一般在指令字的最高位分配若干个固定位表示操作码。
若操作码占用n位，则可以表示多少条不同的指令？ m2n2011Leabharlann 9月75.2 指令格式
5.2.1 指令格式 指令字：代表指令的一组二进制代码信息； 指令长度：指令字中二进制代码的位数；
1、典型的指令格式
OP
A
操作码 OP——指明操作性质的命令码，提 供指令的操作控制信息。
操作对象A——说明操作数存放的地址，有 时则就是操作数本身。
2011年9月
8
2、指令类型