408笔记📚

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（一）CPU的功能和基本结构 ​

1. CPU 的功能 ​

1.1. 控制器 CU 和运算器 ALU ​

  • CPU 功能的两大组成部件：控制器 CU 和运算器 ALU；
  • 控制器 CU
    • 指令控制：取指令；
    • 操作控制：分析指令；
    • 时间控制：执行指令，发出指令，控制输入输出；
    • 数据加工：管理数据总线；
    • 处理中断：处理异常情况和特殊请求；
  • 运算器 ALU：实现算术运算和逻辑运算；

2. CPU 的基本结构 ​

2.1. 基本结构 ​

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  • CPU 基本结构的四大部件

    • 控制器 CU；
    • 运算器 ALU；
    • 寄存器；
    • 中断系统（IO）；

  • 各部分的分工表

    功能负责部分
    指令控制PC，IR
    数据加工ALU，寄存器
    操作控制，时间控制CU，时序电路
    中断处理中断系统

3. CPU 内的寄存器 ​

3.1. 程序计数器 PC ​

  • 指令地址寄存器；用来存放即将要执行的下一条指令地址；
    • 将要执行，即当前存放在 PC 中的指令还没被取出和执行；
    • 任何指令要被执行，都需要将其地址放到 PC 中；
    • PC 存放的是指令在内存中的地址；
  • 程序地址放入 PC 的情况
    • 1）PC 自增：PC = PC + 1，即顺序执行一串指令；
      • "+1" 表示的是 "1 条指令"，即偏移量实际为该条指令的字节数或字数（取决于编址方式）；
    • 2）偏移量：通过某些转移指令，将相对于下一指令地址的偏移送给 PC，实现流程控制；
      • 执行 JMP 指令也会导致 PC 自增，所以此处实际上是 PC = PC + 1 + (A)；
      • (A) 是 JMP 给出的偏移量，可能直接给出，也可能要通过寻址得到；
      • JMP 指令分为：直接设置 PC，和将 PC 加上一个偏移量 Offset两种；
        • 段内较近地址的转移一般用偏移量形式；
        • 跨段较远地址的转移一般直接覆盖 PC（如 x86 中的 CS:IP）；
  • PC 位数决定最多能执行（主存最多存放）的指令条数；

3.2. 指令寄存器 IR ​

  • 用来存放从存储器中取出的指令；
  • 指令执行完之前，指令寄存器的内容不允许发生变化；
  • IR 位数 = 指令字长；

3.3. 存储器数据寄存器 MDR ​

  • 暂时存放从主存中读出的指令/数据，或要向主存写入的指令/数据；
  • 逻辑上属于主存，但是物理上在 CPU 内部；
  • MDR 位数 = 存储字长；

3.4. 存储器地址寄存器 MAR ​

  • 保存当前 CPU 所访间的主存单元的地址；
  • CPU 和主存进行读写数据时，都要用到 MAR 和 MDR；
  • 逻辑上属于主存，但是物理上在 CPU 内部；
  • MAR 位数决定主存空间大小；
  • 注意：一般意义上认为机器字长 = 指令字长 = 存储字长，与 MAR 位数无关；
    • MAR 长度取决于内存总容量和每个存储单元长度，不一定和机器字长一致；

3.5. 程序状态字 PSW ​

  • 表征程序和机器运行的状态，是参与控制程序执行的重要依据之一；

  • 主要包括两部分：状态标志，控制标志；

    • 状态标志：如进位，结果零标志等，大多数指令的执行都会影响；
    • 控制标志：如中断，陷阱标志等；

  • 状态标志

    标志名称说明
    N (S)负数计算结果为负数时，N=1，否则 N=0
    Z结果零计算结果为 0 时，Z=1，否则 Z=0
    V溢出计算结果溢出时，V=1，否则 V=0
    C进位加法进位或减法借位时，C=1，否则 C=0
    • 用途：条件转移指令（JZ, JNZ）等会读取状态标志，决定是立即转移还是顺序执行；
    • 区分 CF 与 OF 标志
      • CF：无符号数加减法，左移位产生进位时，置 1，否则置 0；
      • OF：有符号数加减溢出，乘法溢出，触发溢出中断时，置 1，否则置 0；
      • 无符号数加减时，与 OF 无关，对应地，有符号数加减时，也与 CF 无关；

3.6. 累加器 ACC ​

  • 专门用来存放操作数或运算结果；
  • 执行运算前，两个操作数中的一个通常应放在 ACC 中，运算完成后，ACC 中存放运算结果；

3.7. 寄存器可见性 ​

寄存器系统程序员可见性应用程序员可见性
PCYESNO
IRNONO
MDRNONO
MARNONO
PSW 状态位YESNO
PSW 控制位NONO

习题 ​

    1. 某机器有一个 PSW，有进位标志 CF，结果零 ZF，符号标志 SF，溢出标志 OF。则条件转移指令 BGT（无符号整数比较结果为大于）的转移条件为
    • A. CF+OF=1；
    • B. SF―+ZF=1；
    • C. CF+ZF―=1；
    • D. CF+SF―=1；
    • 答案：C
    • 解析：无符号整数 a 和 b 的比较是直接相减，即计算 a−b，然后看 PSW 状态位；
      • 此题中，若 a>b，则 a−b>0，所以结果零 ZF=0，溢出 CF=0，与 SF, OF 无关；
      • 看四个选项，只有 C 符合要求，故选 C；
    • 快速做法：无符号数运算与 OF 无关，排除 A，结果不可能为负数，与 SF 无关，排除 BD，因此选 C；
      • 与 SF 无关：表示不能用 SF 的值作为判断依据，因为 SF 是根据最高位来确定，而无符号数最高位不是符号位；
      • 由上还可知，SF 可反应无符号数运算结果最高位的情况；