Cache的访问效率：e=Tcc/TA CPU与Cache、主存的存储层次。 16.虚拟存储器
虚拟存储器的功能与特点 页式虚拟存储器 （1）页式虚存地址映射 （2）转换后援缓冲器-TLB
由于页表通常在主存中，因而即使逻辑页已经在主存中，也至少要访问两次物理存储器才能实现一次访存，这将使虚拟存储器的存取时间加倍。为了避免对主存访问次数的增多，可以对页表本身实行二级缓存，把页表中的最活跃的部分存放在高速存储器中，组成快表。这个专用于页表缓存的高速存储部件通常称为转换后援缓冲器(TLB)。保存在主存中的完整页表则称为慢表。
段式虚拟存储器 段页式虚拟存储器
21.本章主要的术语、概念
存储元， ROM，RAM，Cache，主存，内存，外存（辅存），存储周期，静态存储器，动态存储器，刷新，写操作，读操作，多模块交叉存储器，双端口存储器，Cache 的命中率，相联存储器。
11
第4章 指令系统
本章的学习目的：弄清计算机指令系统按功能划分的指令种类；两种指令系统计算机： CISC（复杂指令系统计算机）和RISC（精简指令系统计算机）指令的特点；指令和数据的寻址方式；堆栈及其应用。
本章要掌握的基本内容：
1.指令的基本格式及指令系统与硬件、软件之间的关系
操作码字段 OP 地址码字段 A OP——指示指令的操作性质，用二进制代码表示，OP通过指令译码器进行解释。 A——通常用于指示操作数的地址或指令地址。
决定指令格式的主要因素有三个：一是操作的种类，二是地址的数目，三是寻址方式。 2. 操作码OP的结构
（1）操作码的位数n取决于操作的种类N
n
2 ≥N , 即n≥log2 N
3. 地址码结构
根据一条指令中所包含的地址个数，分为三地址、二地址、一地址和零地址指令。 4.指令的寻址方式有二种：
（1）顺序寻址方式，即指令在内存按序安排，指令地址由程序计数器PC提供。 （2）跳跃寻址方式，由程序控制类指令的执行形成下一条指令的地址。 5. 操作数寻址方式——形成操作数有效地址的方法。主要的寻址方式有： （1）立即寻址方式（立时地址）
指令中的地址字段直接给出操作数本身。适用于指定固定的常数。 （2）直接寻址方式
地址字段直接给出操作数在内存的地址A，即有效地址E=A。 （3）间接寻址方式
指令中的地址字段指出操作数地址的地址。
间接寻址可根据间址的次数分为一次间址和多次间址，如E=(A)为一次间址；E=((A))为二次间址。
（4）寄存器寻址方式 A.寄存器直接寻址
地址字段给出寄存器的编号，该寄存器的内容就是操作数。 B.寄存器间接寻址
地址字段指定的寄存器，其内容是操作数的地址，有效地址E = (Rn)。 C.变址寄存器寻址
12
将变址寄存器的内容（变址值）与形式地址相加而得到有效地址。
E = (Rx) +D
D通常用补码表示，可以是正整数或负整数，变址范围：－2n-1 ~ (2n-1-1)，n为D的位数。 （5）段寻址方式
将段寄存器的基地址（左移4位）与偏移量相加形成内存地址的寻址方式（PC采用）。 6. 堆栈
按后进先出（LIFO）方式存取的存储单元的有序集合。计算机中堆栈的实现有二种结构，一种是寄存器堆栈（串联堆栈、下压堆栈），另一种是存储器堆栈。前者是在CPU中设置一组专门的具有对位串联的若干个寄存器组成，配合堆栈指令实现堆栈操作；后者则是在内存开辟专门用于堆栈的存储区，另加堆栈指针SP组成，配合堆栈指令实现其操作。由于存储器堆栈是使用容量较大的内存部分存储区，因此具有堆栈区的位置灵活和容量可变等特点，是常用的一种。
堆栈在计算机中的应用主要有：
a.为零地址指令提供操作数，例如堆栈处理器； b.存放返回主程序得地址，实现子程序的嵌套； c.存放多级中断的有关信息，实现多级中断的嵌套。 7. 精简指令系统的特点：
a.选用的是使用频率最高的一些简单指令； b.指令长度固定，指令格式及寻址方式种类少；
c.只有取数和存数指令访问存储器，其余指令的操作均在寄存器之间进行。
8. 指令系统按功能划分的种类：传送类指令、算逻运算指令、程序控制类指令、I/O指令、其它指令等
【指令格式及寻址方式举例】
3）指令格式结构如下所示，试分析指令格式及寻址方式特点。 15 10 7 4 3 0 OP 目标寄存器 源寄存器
【解】指令格式及寻址方式特点如下：
① 单字长二地址指令。
② 操作码字段OP 6位可以指定26＝64条指令。
③ 源和目标都是通用寄存器(可分别指定32个寄存器)，所以是RR型指令，两个操
作数均在寄存器中。
④ 这种指令结构常用于算术逻辑运算类指令。 9. 指令系统的发展演变
CISC：复杂指令集（Complex Instruction Set Computer）
13
具有大量的指令和寻址方式（更接近高级程序语言） 80/20原则：80%的程序只使用20%的指令 大多数程序只使用少量的指令就能够运行
RISC：精简指令集（Reduced Instruction Set Computer) 在数据通道中只包含最有用的指令 确保数据通道快速执行每一条指令 使CPU硬件结构设计变得更为简单 大部分RISC机具有以下特点：
（1） 指令系统设计时选择一些使用频率较高的简单指令，且选择一些很有用但不复杂的指令。
（2） 指令长度固定，指令格式种类少，寻址方式种类少。
（3） 只有取数/存数指令访问存储器，其余指令的操作都在寄存器之间进行。
（4） 采用流水线技术。超级标量及超级流水线技术，增加了指令执行的并行度，使得一条指令的平均指令执行时间小于一个机器周期。
（5） CPU中通用寄存器数量相当多，可以减少访存次数。 （6） 以硬布线控制逻辑为主，不用或少用微码控制。 （7） 采用优化的编译程序，力求有效地支持高级语言程序。 RISC三要素：
(1)一个有限的简单的指令集；指令长度固定，指令格式和寻址方式种类少，
(2)CPU配备大量的通用寄存器；只有取数/存数指令访问存储器，其余指令的操作均在寄存器之间进行。
(3)强调对指令流水线的优化。
10. 本章主要的术语、概念
指令，指令系统，操作码，地址码，形式地址，有效地址，寻址方式，顺序寻址，跳跃寻址，立即寻址，隐含寻址，直接寻址，间接寻址，寄存器寻址，寄存器间接寻址，段寻址，CISC， RISC，堆栈，压栈，出栈。
第5章 中央处理器
本章的学习目的：了解中央处理器的基本功能和组成，基本了解计算机内部的运行机制，组合逻辑控制器，微程序控制器及其设计技术，并行处理技术等。
本章要掌握的基本内容：
中央处理器CPU――计算机中用于解释和执行指令的部件。 1. CPU的功能：
（1）指令控制，即程序的顺序控制。
14
主要是由程序计数器PC（顺序寻址）和控制类指令的执行（跳跃寻址）实现的。 （2）操作控制
由执行指令的一系列微操作信号进行控制。 （3）时间控制
对各种操作实施时间上的控制。主要是由时序信号发生器等实现。 （4）数据加工
对数据实现算逻运算等的处理。
CPU的前三个功能主要是由控制器实现的，最后一个功能则是在运算器实现的。 2. CPU的组成
传统的CPU是由控制器和运算器两部分组成的，在巨大规模集成电路的CPU芯片中还包括存储管理部件及CPU内部的Cache。
控制器是指挥计算机各部件按指令要求进行操作的部件，是计算机的控制中心，其主要功能是：
(1) 控制取出指令，解释指令和执行指令； (2) 中断的控制； (3) 信息传送线的控制。 3. 控制器的基本组成
(1) 指令部件
即与指令有关的部件，它包括程序（指令）计数器PC、指令寄存器IR和指令译码器ID。
(2) 时序部件
时序部件主要包括时钟脉冲源及启停控制电路；时序信号的产生及控制部件。 (3) 操作控制器
用以产生微操作控制信号，控制各部件的操作。
(4) 地址寄存器AR及数据寄存器DR，状态条件寄存器PSR等。 (5) 中断机构及控制台。 4. 操作控制器的类型主要有二种：
(1) 组合逻辑控制器（硬布线逻辑） (2) 微程序控制器（存储逻辑型） 5. 指令周期，CPU周期和时钟周期
(1) 指令周期
指取出并执行一条指令所需的时间。通常，其长短与指令的复杂程度有关。 (2) CPU周期（机器周期）
将指令周期划分为若干个相对独立的操作阶段，称为CPU周期。 (3) 时钟周期（节拍脉冲或T周期）
15
计算机组成与体系结构复习大纲2016
