计算机组成原理复习之存储器和指令系统笔记

存储器笔记

多级存储器体系结构

高速缓冲存储器（cache），主存储器和外存储器。
CPU可以直接访问的存储器为内存储器

1.主存储器的技术指标：
存储容量：指一个存储器可以容纳的存储单元的总数
存储时间：指一次读操作命令发出到该操作完成，将数据读到数据总线上的时间
存储周期：指连续启动两次读操作所需间隔的最小时间
存储器带宽：单位时间里存储器所存取的信息量，通常以位/秒或者字节/秒做度量单位

2.存储器特点
速度快的存储器价格贵，容量小； 

价格低的存储器速度慢，容量大。

3.SRAM存储器 

4.DRAM存储器 
（1）SRAM存储器的存储位元是一个触发器，它具有两个稳定的状态。
而DRAM存储器的存储元是由一个MOS晶体管和电容器组成的记忆电路:

  （2）存储器容量的扩充
1.字长位数扩展
d = 设计要求的存储器容量 / 选择芯片存储器容量

2.存储容量扩展
d=设计要求的存储器容量/选择芯片存储器容量

5.只读存储器
ROM叫做只读存储器，只能读出而不能写入。存储的原始数据，必须在它工作以前写入
存储元是：MOS管
主要有两类：

       （1）掩模ROM：掩模ROM实际上是一个存储内容固定的ROM，由生产厂家提供产品。

       （2）可编程ROM：用户后写入内容，有些可以多次写入。  
一次性编程的PROM 
多次编程的EPROM和E2PROM

6.FLASH存储器

  FLASH存储器也翻译成闪速存储器，它是高密度非失易失性的读/写存储器

  存储元是：MOS晶体管

基本操作：编程操作（写入操作），读出操作，擦出操作

7.并行存储器
（1）背景：由于CPU和主存储器之间在速度上是不匹配的，为了提高CPU和主存储器之间的数据传输率，可以采用
并行技术的存储器

类别
1.双端口存储器
双端口存储器由于同一个存储器具有两组相互独立的读写控制电路而得名

 
2.多模块交叉存储器

 指令系统笔记

1.指令系统的发展
计算机的程序是由一系列机器指令组成的， 指令就是要计算机执行某种操作的命令。

  （1）微指令：是微程序级的命令，它属于硬件；
（2）宏指令：是由若干条机器指令组成的软件指令，它属于软件
 (3）机器指令：介于微指令和宏指令之间，通常简称为指令，每一条指令可完成一个独立的算术运算和逻辑运算操作
指令系统：计算机中所有机器指令的集合
CISC：复杂指令系统计算机。。
RISC：升级版

2.指令系统的性能需求
1.完备性：指令系统提供的指令足够使用，不必借助软件。
2.有效性：高效率主要表现在程序占据存储空间小、执行速度快。
3.对称性
4.兼容性：主要是向上兼容，即低档机上运行的软件可以在高档机上运行

3.指令格式
影响计算机指令格式的因素
机器的字长，存储器的容量，指令的功能。。
1.操作码
操作码OP表示计算机该进行什么性质的操作，不同的指令用操作码字段的不同编码来表示，每一种编码代表一种指令。。

固定长度编码的主要缺点是：信息的冗余极大，使程序的总长度增加。
2.地址码
根据一条指令中有几个操作数地址，可将该指令称为几操作数指令或几地址指令。

三地址指令 
二地址指令 
单地址指令 
零地址指令
例如：三地址指令的格式：操作码OP    第一操作数A1  
第二操作数A2       结果A3 
功能描述：（A1）OP（A2）-->A3
      二地址指令的格式:
操作码OP 第一操作数A1 第二操作数A2
功能描述：(A1) OP (A2)→A1
 按照物理位置的不同可以分为三类:
SS型指令：存储器--存储器，主要是在内存中进行。
RR型指令：寄存器--寄存器，主要是在CPU中进行，补不需要访问内存
RS型指令：寄存器--存储器，既要访问内存，又要访问寄存器。。
单地址指令的格式：

3.指令长度
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。。
机器字长：指计算机能直接处理的二进制数据的位数，决定了计算机的运算精度。
单字长指令：指令字长度等于
b708
机器字长度的指令。。
半字长指令：指令字长度等于半个机器字长度的指令。。
双字长指令：指令字长等于两个机器字长度的指令。。。
多字长指令的优缺点: 
优点:提供足够的地址位来解决访问内存任何单元的寻址问题；
缺点:必须两次或多次访问内存以取出一整条指令，降低了CPU的运算速度，又占用了更多的存储空间。

4.指令助记符
5.指令格式举例

4.操作数类型
1.操作数类型
地址数据:地址实际上也是一种形式的数据。 
数值数据:计算机中普遍使用的三种类型的数值数据。
字符数据:文本数据或字符串，目前广泛使用ASCII码。
逻辑数据:一个单元中有几位二进制bit项组成，每个bit的值可以是1或0
 当数据以这种方式看待时，称为逻辑性数据。

5.指令和数据的寻址方式 （重点）
1.指令的寻址方式有两种：
（1）顺序寻址方式
（2）跳跃寻址方式
2.操作数的基本寻址方式
  隐含寻找
  立即寻址
  直接寻址
  间接寻址
  寄存器寻址
  寄存器间接寻址
  偏移寻址
（1）相对寻址
（2）基址寻址
（3）变址寻址
  段寻址
  堆栈寻址
  

第5章 中央处理机

1.CPU的功能个组成
（1）CPU的功能
指令控制：程序的顺序控制
操作控制：一条指令由若干个操作信号组成
时间控制：对各种操作实施时间上的定时
数据加工：对数据进行算术运算和逻辑运算处理
（2）CPU的基本组成
（1）控制器
1.程序计算器PC：用来存放当前执行指令的地址或者下一条要执行的指令的地址
每执行完一条指令，PC+1，实现指令的顺序寻址
2.指令寄存器IR：用来存放内存储器中待执行的指令
3.指令译码器ID：将指令寄存器中的指令的操作码部分进行译码，指令才能被识别出来
4.工作节拍、脉冲及启停控制线路：由脉冲源来产生一组时钟脉冲来作为机器的时钟脉冲
5.时序控制信号形成部件：时序控制信号形成部件又称微操作信号发生器，
真正控制各部件工作的微操作信号是由指令部件提供的操作信号,时序部件提供的
时序信号、被控制功能部件所反馈的状态及条件综合形成的
（2）Cache

（3）运算器：ALU，数据换成寄存器(DR),数据通用寄存器(R0-R3)和状态字寄存器（PSW）组成
（3）CPU中的主要寄存器
IR:指令寄存器---作用：保存当前正在执行的一条指令
PC：程序计数器---作用：保证程序能够顺序的执行下去
AR：数据地址寄存器---作用：保存当前CPU所访问的数据Cache存储器中（简称数存）单元的地址
DR：数据缓冲寄存器---作用：1.作为ALU运算结果和通用寄存器之间信息传递中时间上的缓冲
2.补偿CPU和内存，外围设备之间在操作上的差别。
PSW：状态字寄存器----作用：保存由算术指令和逻辑指令运算和测试结果建立的各种条件代码，如进位标志，溢出标志等等
R0-R3:数据通用寄存器---作用：为ALU提供一个工作区。
（4）操作控制器和时序产生器
数据通路：把在许多寄存器之间传递信息的通路叫做数据通路
操作控制器的功能：根据指令操作码和时序信号，产生各种操作控制信号，以便正确地选择数据通路，
把有关数据打入到一个寄存器，从而完成取指令和执行指令的控制。
硬布线控制器:采用时序逻辑技术来实现的
微程序控制器:采用存储逻辑来实现的

2.指令周期
（1）指令周期的基本概念
指取指令，分析指令和执行指令所需的全部时间
问题？各种指令的指令周期相同吗？
不同，因为不同的指令包含的机器周期是不一样的
（2）机器周期
可以用CPU读取一个指令字的最短时间来规定机器周期 
（3）时钟周期
时钟周期通常定义为机器主频的倒数。
小结：一个指令周期包含若干个CPU周期，一个CPU周期又包含多个时钟周期

3.时序产生器
（1）主要是用来产生时序信号
（2）构成:时钟源，环形脉冲发生器，节拍脉冲和读写时序译码逻辑，启停控制逻辑
（3）控制方式：控制不同操作序列时序信号的方法叫做控制器的控制方法
常见的三种方式：
1.同步控制方式：时间统一
2.异步控制方式：每条指令需要多长时间就占多长时间 
3.联合控制方式

4.微程序控制器
1.微命令：控制部件通过控制线向执行部件发出各种控制命令，这种控制命令叫做微命令
2.微操作：执行部件接受到微指令后执行的操作叫做微操作
相容性：指在同一个CPU周期内可以并行执行的微操作
相斥性：指不能在同时后不能在同一个CPU周期内并行执行的微操作

3.微指令：在机器的一个CPU周期中，一组实现一定操作功能的微命令的组合，构成一条微指令
4.微程序控制器原理（重点）
组成：（1）控制存储器（μCM）
 这是微程序控制器的核心部件，用来存放微程序。
     （2）微指令寄存器（μIR）
 用来存放从μCM取出的正在执行的微指令，它的位数同微指令字长相等。 
     （3）微地址寄存器（μMAR）
 它接受微地址形成部件送来的微地址，为下一步从μCM中读取微指令作准备

     （4）微地址形成部件
 用来产生初始微地址和后继微地址，以保证微指令的连续执行。

5.CPU周期与微指令周期的关系
（1）微指令周期
等于读出微指令的时间加上执行该条指令的时间。。
（2）机器指令与微指令的关系
1.一条机器指令对应一个微程序，这个微程序是由若干个微指令序列组成的
2.指令与内存储器有关，微指令与控制存储器有关。
6.微程序的设计
（1）设计目标：1.有利于缩短微指令字长度；2.有利于减小控制存储器的容量；3.有利于提高
微程序的执行速度；4.有利于对微指令的修改；5.有利于提高微程序设计的灵活性

（2）微命令的编码
1.直接表示法
操作控制字段中的每一位代表一个微命令。缺点，微指令字较长，因而使控制存储器容量较大
2.编码表示法
把一组相斥性的微命令信号组成一个小组，然后通过小组译码器对每一个微命令信号进行译码。
3.混合表示法
（3）微地址的形成方式
1.计数器方式
2.多路转移方式
一条微指令具有多个转移分支的能力称为多路转移
（4）微指令的格式
1.水平型微指令
一次能定义并执行多个并行操作的微命令的微指令叫做水平型微指令。
分为三种：全水平型微指令；字段译码法水平型微指令；直接和译码想混合的水平型微指令
2.垂直型微指令

5.硬布线控制器
1.形成方法

通过逻辑电路直接连线而产生的，又称为组合逻辑控制方式