指令系统与中央处理机组织
指令系统
基本概念
①程序员用各种语言编写的程序最后要翻译（解释或编译）成以指令形式表示的机器语言以后，才能在计算机上运行。计算机的指令有微指令、机器指令和宏指令之分。微指令是微程序级的命令，属于硬件；宏指令是由若干机器指令组成的，属于软件；机器指令介于二者之间，因而是硬件和软件的界面。
②一台计算机能执行的机器指令的集合统称位该机的指令系统。
指令格式
一般格式
| 操作码 | 地址码 |
|---|---|
| OP | D |
按指令所包含的地址个数将指令划分
a.三地址指令：（D1）OP（D2）→ D3
b.二地址指令：（D1）OP（D2）→D2
c.单地址指令：（D）OP （A）→ A(累加寄存器)
d.零地址指令：空操作、停机
指令长度
选取原则：
①指令长度应为存储器基本字长的整数倍。
②指令字长应尽量短。
寻址方式
①立即寻址：| OP | 操作数地址 |
②直接寻址：| OP | @间接地址 |
③间接寻址：| OP | Rx | D |
④变址寻址：| OP | Rb | D |
⑤基址寻址：
⑥相对寻址
⑦隐含寻址方式：
⑧其他寻址方式：
小结：
指令类型
设计一台计算机的指令系统的功能时，须考虑的几个原则：兼容性、完备性、均匀性、可扩充性。
指令类型
设计一台计算机的指令系统的功能时，须考虑的几个原则：兼容性、完备性、均匀性、可扩充性。
堆栈和堆栈存取方式
（1）寄存器堆栈：由若干移位寄存器构成，采用下压式进栈方式。
（2）存储器堆栈：内存中开辟堆栈区，存储单元固定，而栈顶位置动态变化。在CPU中专门设置了堆栈指针SP，指示栈顶位置，存取只能在栈顶进行。
入栈操作：①SP-1→SP ②存入数据→（SP）
出栈操作：①（SP）内容读出 ②SP+1→SP
入栈操作：①SP+1→SP ②存入数据→（SP）
出栈操作：①（SP）内容读出 ②SP-1→SP
中央处理机组织
CPU的三种实现方式
CPU的三种实现方式：组合逻辑、PLA、微程序控制。
CPU中的主要寄存器
指令寄存器（IR）、程序计数器（PC）、地址寄存器（AR）、缓冲寄存器（DR）、累加寄存器（AC）、状态条件寄存器（PSW）
单总线数据通路
CPU四项基本功能
A.读取某一主存单元的内容，并将其装入某一个CPU寄存器;
（1） MAR←[R1] R1out, MARin
（2） Read Read
（3） WMFC WMFC
（4） R2←[MDR] MDRout,R2in
B.把一个数据字从某一CPU寄存器存入某个给定的主存单元;
(1) MAR←[R1] R1out, MARin
(2) MDR←[R2] R2out, MDRin
(3) Write Write
(4) WMFC WMFC
C.把一个数据字从某一CPU寄存器送到另一个寄存器或ALU;
R4 ←R1 R1out, R4in
D.进行一个算术运算或逻辑运算，将结果送入某一CPU寄存器。
(1)Y ←[R1]; R1out, Yin
(2)Z←[R2]+[Y]; R2out, Add, Zin
(3)R3 ←Z; Zout, R3in
CPU时序控制方式
（1）同步控制方式：同步控制方式的时序信号通常由周期、节拍和脉冲组成。指令的运行过程分为取指令、读取操作数及执行三个基本工作周期。
（2）异步控制方式
（3）联合控制方式
CPU控制流程
（1）取出指令
（2）分析指令
（3）执行指令
（4）对异常情况和某些请求的处理
一条完整指令的执行
①Add （R3），R1
执行这条指令需要下列动作：
（1）取指令；
（2）取第一个操作数(由R3所指出的存储单元的内容)；
（3）完成加法运算；
（4）结果存入R1中。
| 步 | 操作 | 说明 |
|---|---|---|
| 1 | PCout,MARin, Read,Clear Y,1→C0，Add, Zin | 取指，(PC)+1 |
| 2 | Zout,PCin,WMFC | (PC)+1→PC |
| 3 | MDRout,IRin | 指令 → IR |
| 4 | R3out,MARin,Read | 取数据 |
| 5 | R1out,Yin,WMFC | (R1) → Y |
| 6 | MDRout,Add,Zin | 相加 |
| 7 | Zout,R1in,End | 结果 →R1 |
②无条件转移指令的控制序列
| 步 | 动作 |
|---|---|
| 1 | PCout, MARin, Read, Clear Y, 1 → C0, Add, Zin |
| 2 | Zout, PCin,WMFC |
| 3 | MDRout,IRin |
| 4 | PCout,Yin |
| 5 | （IR的偏移字段)out, Add, Zin |
| 6 | Zout, PCin, End |
CPU性能设计
决定CPU性能最重要的三个因素：指令的功能强弱、时钟周期的长短、执行每条指令所需时钟周期数。
（1）多总线组织
（2）指令流水
（3）指令发射与完成策略
（4）动态执行技术
（5）一个完整的CPU
