计算机组成原理保姆级复习资料

Posted 2021-06-28 流楚丶格念

文章目录

• 一、计算机系统概论
• 二、数据的表示和运算
• 各种进制及其转换
• • 各种进制的常见书写方式
  • • 二进制优越性
  • 任意进制→十进制
  • • r 进制计数法
    • 举例
  • 二进制↔八进制、十六进制
  • • 二进制 —> 八进制
    • 八进制—> 二进制
    • 二进制 —> 十六进制
    • 二进制 —> 十六进制
  • 十进制→任意进制
  • • 除 x 取余倒排法(x 代表进制数)
    • 十进制→二进制（拼凑法）
  • 真值和机器数
• 定点数与浮点数的举例
• 无符号数
• • 概念
  • 表示范围
• 有符号数
• • 有符号数的表示
  • 有符号数的定点表示
  • • 定点整数
    • 定点小数
    • 注意：
  • 原码、反码、补码、移码
  • • 原码
    • 反码
    • 补码
    • 移码
  • 用几种码表示定点整数
  • 各种码的真值0
  • 各种码转换图
  • 各种码表示范围
• 算数移位运算
• • 原码的算数移位
  • 反码的算数移位
  • 补码的算数移位
• 逻辑移位
• • 逻辑移位的应用举例
• 循环移位
• 原码的加减运算
• • 原码的加法运算：
  • 原码的减法运算，“减数”符号取反，转变为加法：
• 补码的加减运算
• • 补充：
  • • 1. 求[-B]补
    • 2. 负数补 → 原：
  • 例题
• 溢出判断
• • 溢出条件
  • 溢出判断：采用双符号位
• 乘法运算的思想
• • 手算乘法（二进制）
  • • 列竖式
    • 移位运算
• 原码的一位乘法
• • 补充：运算器相关知识
  • 原码一位乘法实现方法：先加法再移位，重复n次
  • 手算模拟
  • • tips
    • 例题
• 补码的一位乘法（Booth算法）
• • 手算模拟
  • • 例题
    • 做题总结
• 原码，补码一位乘法的对比
• 原码除法：恢复余数法（了解，不考）
• 补充知识：大小端模式与边界对其
• • 大小端模式
  • 边界对齐
• 浮点数的表示
• • 浮点数表示形式
  • 浮点数的真值：
  • 举个栗子
• 浮点数尾数的规格化
• • 左归与右归
  • 例题：浮点数加法
• 规格化浮点数的特点
• • 1. 用原码表示的尾数进行规格化：
  • 2. 用补码表示的尾数进行规格化：
  • 3. 表示范围
  • 4. 注意事项（※）
• 浮点数的加减运算
• • 十进制浮点数加减运算步骤：
  • 二进制浮点数的加减运算
  • • 1. 对阶
    • 2. 尾数加减
    • 3. 规格化
    • 4. 舍入
    • 5. 判溢出
  • 浮点数的加减运算——舍入规则
  • • “0”舍“1”入法：
    • 恒置“1”法：
• 强制类型转换
• • • 转化的可操作性
• 奇偶校验码
• • 概念
  • 奇偶校验码
  • • 偶数个错误校验不出
  • 总结
• 三、主存储器
• 四、指令系统
• 现代计算机的结构
• 指令格式
• • 指令的定义
  • 指令格式
  • • 零地址指令
    • 一地址指令
    • 二、三地址指令
    • 四地址指令
    • 地址码的位数有什么影响？
  • 分类
  • • 指令-按地址码数目分类
    • 指令-按指令长度分类
    • 指令-按操作码长度分类
    • 指令—按操作类型分类
• 指令格式小结
• 扩展操作码
• • 扩展操作码举例
  • 设计扩展操作码需注意：
  • • 设计扩展操作码例题：
• 指令操作码
• 操作码分类：
• • 定长操作码：
  • 扩展操作码(不定长操作码) ：
• 指令寻址
• • 顺序寻址
  • 跳跃寻址
  • • O(∩_∩)O哈哈~
  • 小结
• 指令寻址 v.s. 数据寻址
• • 寻址方式不同
  • • 寻址方式特征包括：（十种）
  • 数据寻址
  • • 一地址指令形式：
    • 二地址指令形式：
    • 以下寻址方式前提：假设指令字长=机器字长=存储字长，假设操作数为3
  • 十种寻址方式
  • • 直接寻址
    • 间接寻址
    • 寄存器寻址
    • 寄存器间接寻址
    • 隐含寻址
    • 立即寻址
    • 偏移寻址
    • 堆栈寻址
  • 数据寻址小结
• CISC和RISC对比（整的少，要高分看书上的背）
• • 举个栗子
• 五、中央处理器
• CPU的功能
• • 运算器和控制器的功能
  • 运算器的基本结构
  • • 问题探究
    • • 解决方法1. 使用多路选择器
      • 解决方法2. 使用三态门
    • 运算器真正的基本结构
    • • 优缺点
  • 控制器的基本结构
  • CPU整体的基本结构
  • 小结
• 指令周期
• • 几种常见的指令周期
  • 指令周期流程
  • 指令周期的数据流
  • • 取指周期
    • 间址周期
    • 执行周期
    • 中断周期
  • 指令执行方案
  • • 方案1．单指令周期
    • • 缺点：
    • 方案2．多指令周期
    • • 缺点：
    • 方案3．流水线方案
  • 本章小结
• 微程序控制器
• 六、存储系统
• 七、IO（没学，不会）

一、计算机系统概论

看书看书，都是文字，（想拿高分）多了解

二、数据的表示和运算

各种进制及其转换

进制	举例
二进制： 0,1	二进制： 101.1 —> 1 × 2! + 0 × 2" + 1 × 2# + 1 × 2%" = 5.5
八进制： 0,1,2,3,4,5,6,7	八进制： 5.4 —> 5 × 8# + 4 × 8%" = 5.5
十进制： 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9	十进制： 5.5 —> 5 × 10# + 5 × 10%" = 5.5
十六进制： 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9,A,B,C,D,E,F	十六进制： 5.8 —> 5 × 16# + 8 × 16%" = 5.5

各种进制的常见书写方式

二进制优越性

①可使用两个稳定状态的物理器件表示
②0，1 正好对应逻辑值 假、真。方便实现逻辑运算
③可很方便地使用逻辑门电路实现算术运算

任意进制→十进制

采用r 进制计数法每个位数的基数×该进制的位权次幂依次相加就可以啦

r 进制计数法

基数：每个数码位所用到的不同符号的个数，r 进制的基数为 r

举例

进制	计算举例
二进制：1 0 0 1 0 0 1 0 . 1 1 0	1 * 2^7 + 1 * 2^4 + 1 * 2^1 + 1 * 2^-1 + 1 * 2^-2 = 146.75
八进制：251.5	2 * 8^2 + 5 * 8^1 + 1 * 8^0 + 5 * 8^-1 = 168.625
十六进制：AE86.1	10 * 16^3 + 14 * 16^2 + 8 * 16^1 + 6 * 16^0 + 1 * 16^-1 = 44678.0625

大家也可以记住常见的二进制各个位的十进制值（右击保存图片收藏）

二进制↔八进制、十六进制

二进制 —> 八进制

3位一组，毎组转换成对应的八进制符号

八进制—> 二进制

每位八进制对应的3位二进制

二进制 —> 十六进制

4位一组，毎组转换成对应的十六进制符号

二进制 —> 十六进制

4位一组，毎组转换成对应的十六进制符号

十进制→任意进制

除 x 取余倒排法(x 代表进制数)

完整内容可以参考这个回答：https://zhidao.baidu.com/question/374587905766222524.html

如：75.3 小数部分=0.3

那么我们转化成二进制就是这样

• 整数部分
  - 小数部分
  

十进制→二进制（拼凑法）

用这个图直接凑

真值和机器数

• 真值：符合人类习惯的数字
• 机器数：数字实际存到机器里的形式，正负号需要被“数字化”

例如下面两个数

定点数与浮点数的举例

	举例
定点数：小数点的位置固定	Eg：996.007 ——常规计数
浮点数：小数点的位置不固定	Eg：9.96007*102 ——科学计数法

无符号数

概念

无符号数：整个机器字长的全部二进制位均为数值位，没有符号位，相当于数的绝对值。

例如：

表示范围

8位二进制数有 2^8 种不同的状态

n位的无符号数表示范围为：0 ～ 2^n -1

有符号数

有符号数的表示

例如

但是这样小数点的位置会不固定，我们在面对所有数据都不固定小数位的时候我们的心情会是这样

所以就有了有符号数的定点表示的规定

有符号数的定点表示

定点整数

定点小数

注意：

• 可用 原码、反码、补码 三种方式来表示定点整数和定点小数。

• 还可用 移码 表示定点整数。

• 若真值为 x，则用 [x]原、[x]反、[x]补、[x]移 分别表示真值所对应的原码、反码、补码、移码

原码、反码、补码、移码

原码

反码

• 若符号位为0，则反码与原码相同

• 若符号位为1，则数值位全部取反

补码

• 正数的补码 = 原码
• 负数的补码 = 反码末位+1（要考虑进位）
• 将负数补码转回原码的方法相同：尾数取反，末位+1

移码

• 移码： 补码的基础上将符号位取反。

注意：移码只能用于表示整数

用几种码表示定点整数

各种码的真值0

	[+0]	[-0]
原码	[+0]原=00000000	[-0]原=10000000
反码	[+0]反=00000000	[-0]反=11111111
补码	[+0]补= [-0]补= 00000000	[+0]补= [-0]补= 00000000
反码	[+0]移= [-0]移= 10000000	[+0]移= [-0]移= 10000000

各种码转换图

各种码表示范围

算数移位运算

移位：通过改变各个数码位和小数点的相对位置，从而改变各数码位的位权。可用移位运算实现乘法、除法

原码的算数移位

例如原码为 10101000 进行算数移位

原码的算数移位——符号位保持不变，仅对数值位进行移位。

• 右移：高位补0，低位舍弃。若舍弃的位=0，则相当于÷2；若舍弃的位≠0，则会丢失精度
• 左移：低位补0，高位舍弃。若舍弃的位=0，则相当于×2；若舍弃的位≠0，则会出现严重误差

反码的算数移位

反码的算数移位——正数的反码与原码相同，因此对正数反码的移位运算也和原码相同。

• 右移：高位补0，低位舍弃。
• 左移：低位补0，高位舍弃

反码的算数移位——负数的反码数值位与原码相反，因此负数反码的移位运算规则如下，

• 右移：高位补1，低位舍弃。
• 左移：低位补1，高位舍弃。

补码的算数移位

补码的算数移位——正数的补码与原码相同，因此对正数补码的移位运算也和原码相同。

• 右移：高位补0，低位舍弃。
• 左移：低位补0，高位舍弃。

补码的算数移位——负数补码=反码末位+1 导致反码最右边几个连续的1都因进位而变为0，直到进位碰到第一个0为止。

规律——负数补码中，最右边的1及其右边同原码。最右边的1的左边同反码
负数补码的算数移位规则如下：

• 右移（同反码）：高位补1，低位舍弃。
• 左移（同原码）：低位补0，高位舍弃。

逻辑移位

• 逻辑右移：高位补0，低位舍弃。
• 逻辑左移：低位补0，高位舍弃。

可以把逻辑移位看作是对“无符号数”的算数移位

逻辑移位的应用举例

例如颜色RGB分别存储的数据为：
R = 102 01100110
G = 139 10001011
B = 139 10001011

需要将三个灰度值合成一个才能成彩色图像

循环移位

原码的加减运算

原码的加法运算：

1. 正+正 → 绝对值做加法，结果为正 （可能会溢出）
2. 负+负 → 绝对值做加法，结果为负 （可能会溢出）
3. 正+负 → 绝对值大的减绝对值小的，符号同绝对值大的数
4. 负+正 → 绝对值大的减绝对值小的，符号同绝对值大的数

原码的减法运算，“减数”符号取反，转变为加法：

• 正-负 → 正+正
• 负-正 → 负+负
• 正-正 → 正+负
• 负+正 → 负-负

补码的加减运算

对于补码来说，无论加法还是减法，最后都会转变成加法，由加法器实现运算，符号位也参与运算。

补充：

1. 求[-B]补

[-B]补 ： [B]补连同符号位一起取反加1

2. 负数补 → 原：

①数值位取反+1；
②负数补码中，最右边的1及其右边同原码。最右边的1的左边同反码

例题

我们先看一道例题：设机器字长为8位（含1位符号位），A = 15，B = -24，求[A+B]补和[A−B]补

先将A B的原码补码都求出来

[A+B]补 = [A]补 + [B]补 = 0,0001111 + 1,1101000 = 1,1110111
原码：1,0001001 真值-9

[A-B]补 = [A]补 + [-B]补 = 0,0001111 + 0,0011000 = 0,0100111
真值+39

我们将题改一下：
其中 C = 124，求[A+C]补和[B−C]补，按照上面方法求出可得：
[A+C]补 = 0,0001111 + 0,1111100 = 1,0001011 真值-117 溢出（实际应该是139，但是溢出后是 -117）
[B−C]补 = 1,1101000 + 1,0000100 =0,1101100 真值+108

溢出判断

溢出条件

• 只有“正数+正数 ”才会上溢 —— 正+正=负
• 只有“负数+负数 ”才会下溢 —— 负+负=正

溢出判断：采用双符号位

正数符号为00，负数符号为11
[A+C]补 = 00,0001111 + 00,1111100 = 01,0001011 上溢
[B−C]补 = 11,1101000 + 11,0000100 = 10,1101100 下溢

记两个符号位为S1 S2 ，则V=S1异或S2

• 若V=0，表示无溢出；
• 若V=1，表示有溢出。

乘法运算的思想

手算乘法（二进制）

例如： 算 0.1101×0.1011

列竖式

移位运算

原码的一位乘法

补充：运算器相关知识

运算器：用于实现算术运算（如：加减乘除）、逻辑运算（如：与或非）

• ACC： 累加器，用于存放操作数，或运算结果。
• MQ： 乘商寄存器，在乘、除运算时，用于存放操作数或运算结果。
• X： 通用的操作数寄存器，用于存放操作数
• ALU： 算术逻辑单元，通过内部复杂的电路实现算数运算、逻辑运算

	加	减	乘	除
ACC	被加数、和	被减数、差	乘积高位	被除数、余数
MQ			乘数、乘积低位	商
X	加数	减数	被乘数	除数

原码一位乘法实现方法：先加法再移位，重复n次

符号位通过异或确定；数值部分通过被乘数和乘数绝对值的 n 轮加法、移位完成根据当前乘数中参与运算的位确定(ACC)加什么。

1. 若当前运算位 =1，则(ACC)+[|x|]原；
2. 若当前运算位 =0，则(ACC)+0。

每轮加法后ACC、MQ的内容统一逻辑右移

手算模拟

tips

• 乘数的符号位不参与运算，可以省略
• 原码一位乘可以只用单符号位
• 答题时最终结果最好写为原码机器数

例题

设机器字长为5位（含1位符号位，n=4），x = −0.1101，y = +0.1011，采用原码一位乘法求x·y

解：手动计算是这样

符号位：1与0进行异或运算，得0。

所以随后结果是：x·y= -0.10001111

补码的一位乘法（Booth算法）

1. 进行 n 轮加法、移位，最后再多来一次加法
2. 每次加法可能 +0 、+[x]补、+[-x]补
3. 每次移位是“补码的算数右移”
4. 符号位参与运算

在第二个步骤中，需要根据MQ中的最低位、辅助位 来确定加什么：

• 辅助位 - MQ中最低位 = 1时，(ACC)+[x]补
• 辅助位 - MQ中最低位 = 0时，(ACC)+0
• 辅助位 - MQ中最低位 = -1时，(ACC)+[-x]补

手算模拟

例题

设机器字长为5位（含1位符号位，n=4），x = −0.1101，y = +0.1011，采用Booth算法求x·y

解：手动计算是这样

最后得 [x·y]补 = 11.01110001
即x·y = −0.10001111

做题总结

1. n轮加法、算数右移，加法规则如下：
   辅助位 - MQ中最低位 = 1时，(ACC)+[x]补
   辅助位 - MQ中最低位 = 0时，(ACC)+0
   辅助位 - MQ中最低位 = -1时，(ACC)+[-x]补
2. 补码的算数右移：
   符号位不动，数值位右移，正数右移补0，
   负数右移补1（符号位是啥就补啥）
3. 一般来说，Booth算法的被乘数、部分积采用双符号位补码

原码，补码一位乘法的对比

原码一位乘法：	补码一位乘法：
进行 n 轮加法、移位	进行 n 轮加法、移位，最后再多来一次加法
每次加法可能 +0、+[|x|]原	每次加法可能 +0、+[x]补、+[-x]补
每次移位是“逻辑右移”	每次移位是“补码的算数右移”
符号位不参与运算	符号位参与运算

原码除法：恢复余数法（了解，不考）

思路图（打字打不清楚了是）

补充知识：大小端模式与边界对其

大小端模式

大家一定知道：多字节数据在内存里一定是占连续的几个字节

最高有效字节我们用MSB表示
最低有效字节我们用LSB表示

例如

• 大端模式更便于人类阅读
  

• 小端模式更便于便于机器处理

  

边界对齐

现代计算机通常是按字节编址，即每个字节对应1个地址
通常也支持按字、按半字、按字节寻址。
假设存储字长为32位，则1个字=32bit，半字=16bit。

每次访存只能读/写1个字

1. 下面是边界对其方式：不够四字节的会填充空的
   

2. 下面是不对齐方式，不够四字节的不填充

浮点数的表示

定点数：如纯小数0.1011和纯整数11110

浮点数表示形式

阶码：常用补码或移码表示的定点整数
尾数：常用原码或补码表示的定点小数

浮点数的真值：

阶码E反映浮点数的表示范围及小数点的实际位置；
尾数M的数值部分的位数n反映浮点数的精度。

举个栗子

例题：阶码、尾数均用补码表示，求a、b的真值
a = 0,01;1.1001
b = 0,10;0.01001

解：
a： 阶码0,01对应真值+1
尾数1.1001对应真值-0.0111

a的真值 = 2¹×(−0.0111) = −0.111
（相当于尾数表示的定点小数算数左移一位，或小数点右移一位）

b： 阶码0,10对应真值+2
尾数0.01001对应真值+0.01001

b的真值 = 2²×(+0.01001) = +1.001
（相当于尾数表示的定点小数算数左移2位，或小数点右移2位）

浮点数尾数的规格化

规格化浮点数：规定尾数的最高数值位必须是一个有效值 。

左归与右归

• 左规：当浮点数运算的结果为非规格化时要进行规格化处理， 将尾数算数左移一位，阶码减1。

• 右规：当浮点数运算的结果尾数出现溢出（双符号位为01或10）时， 将尾数算数右移一位，阶码加1。

说白了就是：

• 左归就是通过算数左移、阶码减1 来规格化

• 右归就是通过算数右移、阶码加1 来规格化

例题：浮点数加法

例：a = 010;00.1100，b = 010;00.1000，求a+b

解：a = 2²×00.1100 ，b = 2²×00.1000
a+b
= 2²×00.1100 + 2²×00.1000
= 2²×(00.1100 + 00.1000)
= 2²×01.0100
= 2³×00.1010

（注：采用“双符号位” ，当溢出发生时，可以挽救。更高的符号位是正确的符号位）

规格化浮点数的特点

1. 用原码表示的尾数进行规格化：

• 正数为0.1××…×的形式，其最大值表示为0.11…1；最小值表示为0.10…0。
  尾数的表示范围为1/2≤M≤(1−2⁻ⁿ)。
• 负数为1.1××…×的形式，其最大值表示为1.10…0；最小值表示为1.11…1。
  尾数的表示范围为−(1−2⁻ⁿ)≤M≤−1/2。

2. 用补码表示的尾数进行规格化：

• 正数为0.1××…×的形式，其最大值表示为0.11…1；最小值表示为0.10…0。
  尾数的表示范围为1/2≤M≤(1−2−n)。
• 负数为1.0××…×的形式，其最大值表示为1.01…1；最小值表示为1.00…0。
  尾数的表示范围为−1≤M≤−(1/2+2−n)

3. 表示范围

4. 注意事项（※）

1. 规格化的原码尾数，最高数值位一定是1

2. 规格化的补码尾数，符号位与最高数值位一定相反

3. 补码算数左移，低位补0；补码算数右移，高位补1

浮点数的加减运算

我们可以先通过十进制的浮点数加减运算步骤来类推二进制的

十进制浮点数加减运算步骤：

浮点数加减运算包括五个步骤：① 对阶② 尾数加减③ 规格化④ 舍入⑤ 判溢出

例如：计算9.85211 × 10¹² + 9.96007 × 10¹⁰

解：

二进制浮点数的加减运算

上面我们进行了十进制的浮点数的加减运算，下面我们可以以此类推，也按照上面五个步骤来做

直接看一个例题：已知十进制数X=−5/256、Y=+59/1024，按机器补码浮点运算规则计算X−Y，结果用二进制表示，浮点数格式如下：阶符取2位，阶码取3位，数符取2位，尾数取9位

解：

首先我们先用补码表示阶码和尾数，

5D = 101B，1/256 = 2^-8 → X = - 101 × 2^-8 = - 0.101 × 2^-5 = - 0.101 × 2^-101
59D = 111011B，1/1024 = 2^-10 → Y = + 111011 × 2^-10 = + 0.111011 × 2^-4 = + 0.111011 × 2^-100

再转化成补码形式
X：11011,11.011000000
（X是负数 转化成补码取反+1 阶码 尾数都一样操作）
Y：11100,00.111011000

1. 对阶

使两个数的阶码相等，小阶向大阶看齐，尾数毎右移一位，阶码加1

① 求阶差：[ΔE]补=11011+00100=11111，知ΔE=−1
② 对阶：
X：11011,11.011000000 → 11100,11. 101100000
X = - 0.0101 × 2^-100

2. 尾数加减

-Y：11100,11.000101000
（求码的负数的方法：连符号位一块取反+1）

然后让X加上-Y

	11.101100000
+ 	11.000101000
	10.110001000

所以X-Y：11100, 10.110001000

3. 规格化

X-Y：11100, 10.110001000 à 11101,11.011000100

4. 舍入

无舍入

5. 判溢出

常阶码，无溢出，结果真值为2−3×(−0.1001111)2

浮点数的加减运算——舍入规则

“0”舍“1”入法：

类似于十进制数运算中的“四舍五入”法，即在尾数右移时，被移去的最高数值位为0，则舍去；被移去的最高数值位为1，则在尾数的末位加1。这样做可能会使尾数又溢出，此时需再做一次右规。

恒置“1”法：

尾数右移时，不论丢掉的最高数值位是“1”还是“0”，都使右移后的尾数末位恒置“1”。这种方法同样有使尾数变大和变小的两种可能。

例如

强制类型转换

转化的可操作性

char → int → long → double
float → double
int → float：可能损失精度
float → int：可能溢出及损失精度

结论：范围、精度从小到大，转换过程没有损失

原因：拿32位来说：
int：表示整数，范围 -2³¹ ～ 2³¹-1 ，有效数字32位
float：表示整数及小数，范围 ±[2^-126 ～ 2¹²⁷×(2−2⁻²³)]，有效数字23+1=24位

奇偶校验码

概念

由若干位代码组成的一个字叫码字。
将两个码字逐位进行对比，具有不同的位的个数称为两个码字间的距离。
一种编码方案可能有若干个合法码字，各合法码字间的最小距离称为“码距”。
例如：下面两组的码距分别是1和2

其中码距的能力范围是：

• 当d=1时，无检错能力；
• 当d=2时，有检错能力；
• 当d≥3时，若设计合理，可能具有检错、纠错能力

奇偶校验码

• 奇校验码：整个校验码（有效信息位和校验位）中“1”的个数为奇数。
• 偶校验码：整个校验码（有效信息位和校验位）中“1”的个数为偶数。

例1： 给出两个编码1001101和1010111的奇校验码和偶校验码。
设最高位为校验位，余7位是信息位，则对应的奇偶校验码为：
奇校验： 11001101 01010111
偶校验： 01001101 11010111

1
0

例2： 给出两个编码1001101和1010111的奇校验码和偶校验码。
设最高位为校验位，余7位是信息位，则对应的奇偶校验码为：
奇校验： 11001101 01010111
偶校验： 01001101 11010111

偶校验的硬件实现：各信息进行异或（模2加）运算，得到的结果即为偶校验位

例如：将上述例子求偶校验位：

偶数个错误校验不出

例如

总结

三、主存储器

保留，我貌似没学过，不晓得，可能和后面存储系统混了，先看看书

四、指令系统

指令案例文章（必看）：https://editor.csdn.net/md/?articleId=116792581

现代计算机的结构

这次就开搞控制器！

学会指令系统就可以更精进之前搞的典型过程了：https://yangyongli.blog.csdn.net/article/details/116792581

指令格式

指令的定义

指令（又称机器指令）：是指示计算机执行某种操作的命令，是计算机运行的最小功能单位。

一台计算机的所有指令的集合构成该机的指令系统，也称为指令集。

注：一台计算机只能执行自己指令系统中的指令，不能执行其他系统的指令。

例如：x86 架构、ARM架构之间不能互相执行对方架构系统的指令。

指令格式

一条指令就是机器语言的一个语句，它是一组有意义的二进制代码。

一条指令通常要包括操作码字段和地址码字段两部分（如下图所示）：

操作码就是要表达用户要干什么？
比如：停机中断、求反求补、加减乘除……

地址码就是要说明对谁进行操作？
比如：不需要操作对象、需要一个操作对象、需要两个操作对象……

---

其中 一条指令可能包含 0个、1个、2个、3个、4个 地址码…

根据地址码数目不同，可以将指令分为 零地址指令、一地址指令、二地址指令…

零地址指令

1. 不需要操作数，如空操作、停机、关中断等指令
2. 堆栈计算机，两个操作数隐含存放在栈顶和次栈顶，计算结果压回栈顶

一地址指令

1. 只需要单操作数，如加1、减1、取反、求补等
   指令含义：OP(A1)→A1 ，完成一条指令需要3次访存：取指→ 读A1 →写A1
2. 需要两个操作数，但其中一个操作数隐含在某个寄存器（如隐含在ACC）
   指令含义： (ACC)OP(A1)→ACC，完成一条指令需要2次访存：取指→ 读A1

注：A1 指某个主存地址， (A1)表示 A1 所指向的地址中的内容

二、三地址指令

常用于需要两个操作数的算术运算、逻辑运算相关指令

指令含义：(A1)OP(A2)→A1
完成一条指令需要访存4次，取指→读A1→读A2→写A1

常用于需要两个操作数的算术运算、逻辑运算相关指令

指令含义：(A1)OP(A2)→A3
完成一条指令需要访存4次，取指→ 读A1→读A2 →写A3

四地址指令

指令含义：(A1)OP(A2)→A3，A4=下一条将要执行指令的地址

完成一条指令需要访存4次，取指 →读A1 →读A2 →写A3

正常情况下：取指令之后 PC+1，指向下一条指令
四地址指令：执行指令后，将PC的值修改位 A4 所指地址

小杨同学表示：事真多！

地址码的位数有什么影响？

n位地址码的直接寻址范围=2ⁿ，若指令总长度固定不变，则地
址码数量越多，寻址能力越差

分类

指令-按地址码数目分类

指令-按指令长度分类

可以分为：半字长指令、单字长指令、双字长指令 ——指令长度是机器字长的多少倍

指令字长：一条指令的总长度（可能会变）
机器字长：CPU进行一次整数运算所能处理的二进制数据的位数（通常和ALU直接相关）
存储字长：一个存储单元中的二进制代码位数（通常和MDR位数相同）

指令字长会影响取指令所需时间。如：机器字长=存储字长=16bit，则取一条双字长指令需要两次访存

定长指令字结构：指令系统中所有指令的长度都相等
变长指令字结构：指令系统中各种指令的长度不等

指令-按操作码长度分类

1. 定长操作码：指令系统中所有指令的操作码长度都相同（n位 → 2ⁿ条指令）
   ——控制器的译码电路设计简单，但灵活性较低
2. 可变长操作码：指令系统中各指令的操作码长度可变
   ——控制器的译码电路设计复杂， 但灵活性较高
3. 扩展操作码指令格式：定长指令字结构+可变长操作码

指令—按操作类型分类

1. 数据传送（数据传送类：进行主存与CPU之间的数据传送）
   LOAD 作用：把存储器（源）中的数据放到寄存器（目的）中
   STORE 作用：把寄存器（源）中的数据放到存储器（目的）中

2. 算术逻辑操作
   算术：加、减、乘、除、增 1、减 1、求补、浮点运算、十进制运算
   逻辑：与、或、非、异或、位操作、位测试、位清除、位求反

3. 移位操作
   算术移位、逻辑移位、循环移位(带进位和不带进位)

4. 转移操作（程序控制类：改变程序执行的顺序）
   无条件转移 JMP
   条件转移 JZ：结果为0；JO：结果溢出；JC：结果有进位
   调用和返回 CALL和RETURN
   陷阱(Trap)与陷阱指令

5. 输入输出操作（输入输出类（I/O）：进行CPU和I/O设备之间的数据传送）
   CPU寄存器与IO端口之间的数据传送(端口即IO接口中的寄存器)

指令格式小结

扩展操作码

指令由操作码和若干个地址码组成。

PS：先回顾一下指令字结构与操作码的概念：

• 定长指令字结构：指令系统中所有指令的长度都相等
• 变长指令字结构：指令系统中各种指令的长度不等

---

• 定长操作码：指令系统中所有指令的操作码长度都相同
• 可变长操作码：指令系统中各指令的操作码长度可变

定长指令字结构+可变长操作码 → 扩展操作码指令格式（即不同地址数的指令使用不同长度的操作码）

扩展操作码举例

这只是一种设计方法：

设计扩展操作码需注意：

1. 不允许短码是长码的前缀，即短操作码不能与长操作码的前面部分的代码相同。（对比哈夫曼树“前缀编码”）
2. 各指令的操作码一定不能重复。

通常情况下，对使用频率较高的指令，分配较短的操作码；对使用频率较低的指令，分配较长的操作码，从而尽可能减少指令译码和分析的时间。

设计扩展操作码例题：

设指令字长固定为16位，试设计一套指令系统满足：
a) 有15条三地址指令
b) 有12条二地址指令
c) 有62条一地址指令
d) 有32条零地址指令

设地址长度为n，上一层留出m种状态，下一层可扩展出m×2!种状态

解：
a) 共2⁴=16种状态
留出16-15=1种

b) 共1 ×2⁴=16种
留出16-12=4种

c) 共4 ×2⁴=64种
留出64-62=2种

d) 共2 ×2⁴=32种

	0000 -1110	A1(取的合法范围)	A2	A3
1111 XXXX XXXXXXXX	1111	0000 -1011	A1	A2
1111 11XX XXXX XXXX	1111	1100 –1110 1111	0000 –1111 0000 –1101	A1
1111 1111 111X XXXX	1111	1111	1110 –1111	0000 -1111

指令操作码

操作码指出指令中该指令应该执行什么性质的操作和具有何种功能。

操作码是识别指令、了解指令功能与区分操作数地址内容的组成和使用方法等的关键信息。
例如，指出是算术加运算，还是减运算；是程序转移，还是返回操作。

操作码分类：

定长操作码：

在指令字的最高位部分分配固定的若干位（定长）表示操作码。

• 一般n位操作码字段的指令系统最大能够表示2ⁿ条指令。
• 优：定长操作码对于简化计算机硬件设计，提高指令译码和识别速度很有利； - 缺：指令数量增加时会占用更多固定位，留给表示操作数地址的位数受限。

扩展操作码(不定长操作码) ：

全部指令的操作码字段的位数不固定，且分散地放在指令字的不同位置上。

• 最常见的变长操作码方法是扩展操作码，使操作码的长度随地址码的减少而增加，不同地址数的
  指令可以具有不同长度的操作码，从而在满足需要的前提下，有效地缩短指令字长。
• 优： 在指令字长有限的前提下仍保持比较丰富的指令种类；
• 缺 ：增加了指令译码和分析的难度，使控制器的设计复杂化。

首先 ，我们还得先回忆一下计算机的工作过程：https://yangyongli.blog.csdn.net/article/details/116792581

指令寻址

指令寻址： 下一条 欲执行 指令 的 地址（始终由程序计数器PC给出）

即( PC ) + 1→ PC，如下面图片的例子

该系统采用定长指令字结构
指令字长=存储字长=16bit=2B（地址为16位）
主存按字编址

我们将上面例子拆分为： 指令地址、操作码、地址码。如下图形式

顺序寻址

( PC ) + “1” → PC

跳跃寻址

由转移指令指出

JMP：无条件转移把PC中的内容改成地址码数值

O(∩_∩)O哈哈~

例如在前面的例子中
中国石油大学胜利学院15级软件工程计算机组成原理复习提纲（上）

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