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。

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。

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。

输入输出系统1.参考学时3学时。

2.教学目标（能力要求）●理解计算机接口基本概念:能解释计算机系统中接口的基本功能、分类与结构，可解释端口的基本概念，能辨析独立编址方式和统一编址方式各自的优缺点；●熟悉常见输入输出方式：能对比分析常见输入输出方式的工作原理、不同特点与应用局限性；●掌握查询方式工作原理：能解释查询方式工作原理，对比分析定时查询与独占式查询的差异，可给出查询方式的应用场合。

●掌握中断方式工作原理：能解释中断的工作原理，对比分析单级中断与多级中断的异同点，完成特定应用场景下中断传输方式的性能分析，具有基本中断电路的设计能力；●掌握DMA方式工作原理：能解释DMA方式的工作原理，完成特定应用场景下DMA的性能分析。

3.教学重点和难点教学重点：中断基本概念，中断请求与响应过程，常见输入输出方式的性能计算教学难点：中断机制的软硬件实现方法4.教学主要内容（1）输入输出设备与特性（10分钟）（2）I/O接口（15分钟）➢I/O接口的功能➢I/O接口的结构➢I/O接口的编址➢I/O接口的软件➢I/O接口的分类（3）数据传输控制方式（5分钟）（4）程序控制方式（10分钟）➢简单设备程序查询流程➢复杂设备程序查询流程（5）程序中断控制方式（50分钟）➢中断基本概念➢中断请求➢中断响应➢中断识别➢中断处理（6）DMA方式（45分钟）➢DMA的基本概念➢内存争用问题➢DMA控制器➢DMA传输流程5.教学过程与方法（1）输入输出设备与特性简单介绍输入输出设备定义，以及输入输出设备的特性。

简要输入输出系统的基本组成与功能。

（2）I/O接口简要介绍I/O接口的定义与常用功能。

用图片详细介绍I/O接口的内部结构与功能。

讲解I/O接口的编址概念，以及统一编址与独立编址的差异。

用MIPS指令与X86指令分别解释两种不同的编址方式。

介绍I/O接口的软件结构，注意软件抽象是计算机中最为重要的概念。

简单介绍I/O接口的常用分类方法。

rs型指令格式1. 背景介绍计算机组成原理是计算机科学的基础课程之一，它主要研究计算机是如何工作的，包括硬件和软件层面。

其中，指令格式是计算机组成原理中的重要内容之一。

而rs型指令格式又是指令格式中的一种常见形式，本文将着重介绍rs型指令格式。

2. 什么是指令格式指令格式是指计算机中用来表示和执行指令的格式，它决定了计算机如何解释和执行存储在存储器中的指令。

指令格式通常由操作码和位置区域码等部分组成，不同的指令格式对应不同的指令类型和操作方式。

在计算机中，常见的指令格式有多种，其中rs型指令格式就是其中之一。

3. rs型指令格式的特点rs型指令格式是一种常见的指令格式，它主要用于表示寄存器和立即数之间的操作。

rs型指令格式通常由操作码、源操作数寄存器、目的操作数寄存器和立即数等部分组成。

其中，操作码表示操作的类型，源操作数寄存器和目的操作数寄存器分别表示参与操作的寄存器，而立即数则表示需要进行操作的数值。

rs型指令格式的特点主要包括以下几点：- 灵活性高：rs型指令格式可以灵活地表示各种寄存器和立即数之间的操作，可以满足多种不同的计算需求。

- 执行效率高：由于rs型指令格式主要针对寄存器和立即数的操作，并且操作码表示清楚，因此执行效率较高，能够快速、准确地执行指令。

4. rs型指令格式的应用rs型指令格式在计算机中有着广泛的应用，特别是在RISC（精简指令集计算机）体系结构中。

RISC体系结构中的指令集通常采用rs型指令格式，因为rs型指令格式可以有效地利用寄存器和立即数，满足RISC 体系结构对指令集精简、执行效率高的要求。

rs型指令格式还可以用于表示一些常见的运算操作，比如加法、减法、位运算等，因此在实际应用中得到了广泛的使用。

5. rs型指令格式的优缺点rs型指令格式作为指令格式中的一种常见形式，它具有一系列的优点和缺点。

具体来说，rs型指令格式的优点包括：- 灵活性高：rs型指令格式可以灵活地表示各种寄存器和立即数之间的操作，满足多种不同的计算需求。