一、指令与程序的基本表示

  • 纸带程序：有孔为 1，无孔为 0，由传感器读取。
  • 电机滚动纸带 → 连续输出程序，每行代表一条指令。
  • 指令读入 IR（指令寄存器），送入 ALU 执行运算。

指令结构

一条指令分为三部分：

  1. 操作码：决定 ALU 执行何种操作。
  2. 立即数/寄存器编号：作为操作数输入。
  3. 寻址方式：区分寄存器、内存、立即数等地址类型。

指令格式分类

  • 三地址指令：地址1 op 地址2 → 地址3
  • 二地址指令：地址1 op 地址2 → 地址1
  • 单地址指令：仅一个操作数（取反、移位等）
  • 零地址指令：无操作数（空指令、停机、栈指令等）

扩展操作码

  • 利用地址字段空余位扩展操作码数量。
  • 类似文件夹嵌套：一级操作码 → 前缀 → 多级扩展。
  • 充分利用指令比特位，避免浪费。

二、汇编指令与机器指令

  • 机器指令是二进制串，对人不友好。
  • 汇编指令是机器指令的符号表示，便于阅读与编写。

数据传输类指令

  • mov：数据复制
  • push：压栈，SP 减 1，写入内存
  • pop：弹栈，读出数据，SP 加 1
  • movsx / movzx：符号扩展 / 零扩展，用于不同位数赋值

算术运算类指令

  • add、sub：加减法，影响标志位 CF/ZF/SF/OF
  • mul、div：乘除法，单地址形式，使用隐含寄存器（AX/DX）

跳转与控制指令

  • jmp：无条件跳转，直接修改 PC
  • 条件跳转（je/jz/jne 等）：根据标志位判断
  • call：函数调用，将返回地址入栈
  • ret：从栈弹出返回地址，回到调用处

函数调用与栈帧

  1. call 将下条指令地址压栈保存
  2. push ebp 保存旧栈基址
  3. mov ebp, esp 建立栈帧
  4. 通过 ebp+偏移 访问参数
  5. 函数结束：pop ebp → ret 恢复现场

三、寻址方式（共 9 种）

  1. 立即寻址：数值直接在指令中
  2. 寄存器寻址：操作数在寄存器中
  3. 直接寻址：指令给出内存地址
  4. 间接寻址：指令给出地址，地址里存放真正地址
  5. 寄存器间接寻址：寄存器中存放内存地址
  6. 相对寻址（PC 相对）：目标地址 = PC + 偏移量
  7. 基址寻址：地址 = 基址寄存器 + 偏移
  8. 变址寻址：地址 = SI/DI + 偏移，用于数组/字符串
  9. 堆栈寻址：由 SP 指向栈顶，push 减、pop 增

四、CPU 内部数据通路

单总线结构

  • 所有部件共用一条总线。
  • 同一时刻只能一个部件输出，避免冲突。
  • 使用 X、Z 寄存器暂存数据，完成多步运算。

典型执行流程（以加法为例）

  1. PC 送出指令地址
  2. 指令从内存读入 MDR → IR
  3. IR 译码，读取操作数
  4. 操作数送入 ALU 运算
  5. 结果写回寄存器或内存
  6. PC + 1 取下一条指令

五、控制器

硬布线控制器

  • 纯组合逻辑电路实现，速度快。
  • 控制信号由指令、时序、状态直接生成。

微程序控制器

  • 用“微指令”实现控制逻辑，存储在控制存储器。
  • 每条机器指令对应一段微程序。
  • 易扩展、易修改、速度略低。

微指令格式

  • 操作控制字段：每一位对应一个控制信号。
  • 判别字段：指示指令是否结束、是否取指。
  • 下地址字段：指示下一条微指令地址。

六、指令流水线

一条指令分为 5 阶段：

  1. 取指
  2. 译码
  3. 执行
  4. 访存
  5. 写回

流水线并行执行多条指令，每个时钟周期流入一条新指令。

流水线冲突

  1. 结构冲突：指令与数据同时访问内存
    • 解决：哈佛结构、分离 I-cache/D-cache
  2. 数据冲突：指令未写回就被读取
    • 解决：数据旁路（forwarding）
  3. 控制冲突：分支指令导致 PC 不确定
    • 解决：静态/动态分支预测、延迟槽

七、总线与输入输出系统

总线分类

  • 片内总线：CPU 内部使用
  • 系统总线：连接 CPU、内存、外设
  • 分为地址总线、数据总线、控制总线

总线仲裁

  • 链式查询：简单、易产生“饥饿”
  • 独立请求：速度快、线路多
  • 分布式仲裁：按权重竞争

定时方式

  • 同步定时：统一时钟，近距离高效
  • 异步定时：请求/应答握手，远距离可靠

I/O 编址

  • 统一编址：I/O 与内存共用地址空间
  • 独立编址：I/O 有独立地址，使用专门指令

I/O 数据传输方式

  1. 程序查询：CPU 轮询状态，效率低
  2. 程序中断：设备主动发信号，CPU 响应
  3. DMA：直接内存访问，不占用 CPU

八、中断系统

中断处理流程

  1. 设备发出中断请求
  2. 中断屏蔽与优先级判断
  3. 保存断点 PC
  4. 查中断向量表，跳转到中断服务程序
  5. 保护现场 → 执行服务程序 → 恢复现场
  6. 开中断 → 返回断点

多重中断

  • 中断处理过程中可响应更高优先级中断。
  • 通过设置中断屏蔽字控制允许/禁止。

九、DMA 直接内存访问

  • 分担 CPU 访存工作，批量高速传输。
  • 传输期间 CPU 可继续执行其他指令。

DMA 访存冲突解决

  • 停止 CPU：DMA 期间 CPU 暂停
  • 交替访存：单双周期分用
  • 周期挪用：DMA 按需占用周期，效率最高

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