Computer Organization and ISA

基于冯·诺依曼模型与 LC-3 架构

一、冯·诺依曼模型¶

1. 历史背景¶

• ENIAC（1943）：首个通用电子计算机，硬连线编程（通过拨动开关设置程序）。
• EDVAC（1944）：首次引入存储程序概念，程序与数据共存储于内存。
• 冯·诺依曼报告（1945）：提出存储程序计算机的五大组件（存储器、运算器、控制器、输入设备、输出设备），奠定现代计算机基础。

2. 核心组件¶

1. 存储器（Memory）
   • 存储指令和数据，按地址访问。
   • 基本操作：LOAD（读取）和 STORE（写入）。
2. 处理单元（Processing Unit）
   • 执行算术逻辑运算（ALU）。
   • 寄存器：临时存储操作数和结果（如 LC-3 的 8 个 16 位寄存器 R0-R7）。
3. 控制单元（Control Unit）
   • 协调指令执行流程，包含：
     • 程序计数器（PC）：指向下一条指令地址。
     • 指令寄存器（IR）：存储当前指令。
4. 输入/输出设备：通过驱动（控制硬件设备的程序）与内存交互（如键盘、显示器）。

二、LC-3 指令集架构（ISA）¶

1. 内存与寄存器¶

• 内存：
  • 地址空间：2^16（16 位地址）。
  • 地址能力：16 位/单元。
• 寄存器：
  • 8 个通用寄存器（R0-R7），16 位宽。
  • 专用寄存器：PC（程序计数器）、条件码（N/Z/P，negative/zero/positive）。

2. 指令分类与格式¶

LC-3 指令为 16 位，分为三类：

1. 运算指令：ADD、AND、NOT。
2. 数据移动指令：LD（加载）、LDI、LDR、ST（存储）、STI、STR、LEA（加载有效地址）。
3. 控制指令：BR（条件分支）、JSR、JSRR、RTI、JMP（跳转）、TRAP（系统调用）。

示例指令格式¶

• ADD 指令（寄存器模式）：

| 15:12 | 11:9 | 8:6 | 5:3 | 2:0 |
| 0001  | DR   | SR1 | 0   | SR2 |

• 功能：DR ← SR1 + SR2

• 例：ADD R3, R1, R2 → R3 = R1 + R2

• ADD 指令（立即模式）：

| 15:12 | 11:9 | 8:6 | 5     | 4:0      |
| 0001  | DR   | SR1 | 1     | imm5     |

• 功能：DR ← SR1 + imm5（符号扩展）
  • 例：ADD R3, R1, #5 → R3 = R1 + 5

三、指令处理流程¶

1. 六大阶段¶

graph TD  
    F[FETCH] --> D[DECODE]  
    D --> EA[EVALUATE ADDRESS]  
    EA --> OP[FETCH OPERANDS]  
    OP --> EX[EXECUTE]  
    EX --> S[STORE RESULT]
    S -->F

详细说明¶

1. FETCH：
   • 将 PC 内容送入 MAR，读取指令到 IR，PC 递增（PC ← PC + 1）。

MAR ← PC;  
MDR ← Memory[MAR];  
IR ← MDR;  
PC ← PC + 1;  

1. DECODE：

   • 解析操作码（IR[15:12]），确定指令类型和操作数。
   • 例：LDR 指令的后 6 位为偏移量。

2. EVALUATE ADDRESS：

   • 计算内存地址（如基址 + 偏移量）。

Address = BaseReg + SignExtend(offset);  

1. FETCH OPERANDS：

   • 读取操作数（寄存器或内存）。

2. EXECUTE：

   • 执行运算（如 ALU 加法）。
   • 或者不做任何事（如 load、store）。

3. STORE RESULT：

   • 将结果写入目标寄存器或内存。

四、寻址模式¶

1. PC 相对寻址（LD/ST）¶

• 用 9 位有符号偏移量（IR[8:0]）与 PC 相加得到地址，范围是 [PC - 256, PC + 255]。
• 例：LD R2, Label → R2 ← Memory[PC + offset]

2. 基址 + 偏移寻址（LDR/STR）¶

• 基址寄存器（如 R3）加 6 位偏移量（符号扩展）。
• 例：LDR R2, R3, #6 → R2 ← Memory[R3 + 6]

3. 间接寻址（LDI/STI）¶

• 先通过 PC 相对寻址获取地址，再访问该地址指向的内存。
• 例：LDI R2, Label → R2 ← Memory[Memory[PC + offset]]

4. 直接寻址（LEA）¶

• 将地址直接保存在寄存器中

五、控制指令与条件码¶

1. 条件分支（BR）¶

• 根据条件码（N/Z/P）决定是否跳转。
• 例：BRnz Label → 若结果为负或零，跳转到 PC + offset。

2. 跳转（JMP）¶

• 无条件跳转到寄存器中的地址。
• 例：JMP R3 → PC ← R3

3. TRAP¶

• 将 PC 设置为 "the address of an OS service routine"，并在下一条指令交回控制权

六、数据路径与组件¶

graph LR  
    subgraph 数据路径  
        Bus[全局总线] --> ALU  
        ALU --> RegFile[寄存器文件]  
        RegFile --> Bus  
        Bus --> MAR  
        MAR --> Memory  
        Memory --> MDR  
        MDR --> Bus  
        PC --> PCMUX  
        PCMUX --> PC  
    end  

• 全局总线：传输 16 位数据，由控制信号选择驱动源（如 ALU、寄存器）。
• ALU：执行算术逻辑运算，输入来自寄存器和立即数。
• PC 与 MAR：通过多路选择器（PCMUX/MARMUX）选择地址来源。

七、编程示例¶

计算 12 个整数之和（地址 X3100 开始）¶

        AND R3, R3, #0    ; R3 = 0（累加器）  
        LD R1, #-100      ; R1 = x3100（数据起始地址）  
        AND R2, R2, #0    
        ADD R2, R2, #12   ; R2 = 12（计数器）  
Loop:   BRz Done          ; 若R2=0，跳转到Done  
        LDR R4, R1, #0    ; R4 = Memory[R1]  
        ADD R3, R3, R4    ; R3 += R4  
        ADD R1, R1, #1    ; R1++  
        ADD R2, R2, #-1   ; R2--  
        BR Loop  
Done:   HALT  

八、关键概念总结¶

1. ISA 的核心作用：定义程序员可见的硬件特性（指令集、寄存器、内存模型）。
2. 冯·诺依曼瓶颈：指令与数据共享总线，导致潜在的性能限制。
3. LC-3 的简洁性：仅 15 条指令，但可通过组合实现复杂操作（如用 ADD 和 NOT 实现减法）。

注：更多细节可参考 LC-3 手册

Support Me!