计算机指令和中断
计算机指令和中断
计算机指令
指令的流水线处理
中断原理
1. 计算机指令
考点分析：计算机指令的组成和执行过程，指令的寻址方式以及操作数的寻址方式，特权指令，CISC和RISC的特点和区别
1.1 计算机指令的组成
一条指令是由操作码和操作数两部分组成，操作码决定要完成的操作，操作数指参加运算的数据及其所在的单元地址
1.2 计算机指令执行过程
指令的执行过程分为取指令、分析指令和执行指令3个子过程
- 取指令：将程序计数器PC中的指令地址取出，送入地址总线，CPU依据指令地址去内存中取出指令内容存入指令寄存器IR
- 分析指令：取指令后由指令译码器进行分析，判断需要执行什么操作
- 执行指令：最后取出指令执行所需的源操作数，执行操作
1.3 指令寻址方式
- 顺序寻址方式：指令地址在主存中顺序排列，指令一条条顺序执行
- 跳跃寻址方式：下一条指令的地址不是由程序计数器给出，而由本条指令给出
1.4 指令操作数的寻址方式
- 立即寻址方式：指令的地址码字段指出的不是地址，而是操作数本身
- 直接寻址方式：指令的地址字段中直接支出操作数在主存中的地址
- 间接寻址方式：指令的地址字段所指向的存储单元中存储的不是操作数本身，而是操作数的地址
- 寄存器寻址方式：指令中的地址码是寄存器的编号，不是操作数地址或本身
- 基址寻址方式：将基址寄存器的内容加上指令中的形式地址而形成操作数有效地址
- 变址寻址方式：将变址寄存器的内容加上指令中的形式地址而形成操作数有效地址
- 相对寻址方式：相对于当前的指令地址而言的寻址方式
1.5 特权指令
特权指令是指具有特殊权限的指令。特权指令集是计算机指令集的一个子集，其通常与系统资源的操纵和控制有关。
计算机处于系统态运行时，可执行特权指令；而处于用户态运行时，则不能执行特权指令
1.6 指令系统CISC与RISC
CISC是复杂指令系统，兼容性强，指令繁多、长度可变，由微程序实现
RISC是精简指令系统，指令少，使用频率接近，主要依靠硬件实现
2. 指令的流水线处理
考点分析：流水线分段原理，流水线冒险，流水线参数计算
2.1 流水线原理
将指令分成不同段，每段由不同的部分去处理，因此可以产生叠加的效果，所有的部件去处理指令的不同段。
若把指令的执行过程进一步细分为取指令、指令译码、取操作数和执行4个子过程，则得到如下图所示的流水处理的时空图
2.2 流水线冒险
由于各种原因导致指令流水线执行时阻塞并延期，一般由以下三种冒险
- 数据冒险：指一条指令需要使用之前指令的计算结果，但是之前结果还没有返回产生的冲突现象
- 结构冒险：同一个指令周期内，不同功能争抢同一个硬件部分而发生的冲突现象
- 控制冒险：流水线遇到分支指令或者其他可能引起PC指针进行改变的指令引起的冲突现象
2.3 流水线参数计算
- 流水线周期：指令分成不同执行段，其中执行时间最长的段为流水线周期
- 流水线总执行时间：1条指令总执行时间 + （总指令条数 - 1）*流水线周期
- 流水线吞吐率：流水线在单位时间内所完成的任务数或输出的结果数
P = 指令条数 / 流水线总执行时间
- 流水线加速比：指使用流水线后的效率提升度，即比不使用流水线快多少倍
3. 中断原理
考点分析：中断源、中断向量等概念、中断原理流程图
- 中断：指CPU正常运行时，由于程序的预先安排或内外部事件，引起CPU中断正在运行的程序，转到发生中断事件程序中
- 中断源：引起程序中断的事件
- 中断向量：中断源的识别标志，中断服务程序的入口地址
- 中断向量表：按照中断类型号从小到大的顺序存储对应的中断向量，总共存储256个
- 中断响应：CPU在执行当前指令的最后一个时钟周期去查询有无中断请求信号
- 关中断：保护和恢复现场时需要关闭中断，避免堆栈错误
- 保护断点：保存程序当前执行的位置
- 保护现场：保存程序当前断点执行所需的寄存器及相关数据
- 中断服务程序：识别中断源，获取到中断向量，就能进入中断服务程序，开始处理中断
- 中断返回：返回中断前的断点，继续执行原来的程序
