计算机组成与系统结构课件指令
90页1、Ch5: Instruction Set指令系统指令系统第第1讲:指令系统的设计讲:指令系统的设计第第2讲:程序的机器级表示讲:程序的机器级表示第一页,共九十页。 ISA.2第一讲第一讲 指令系统设计指令系统设计u一条指令必须指定的信息一条指令必须指定的信息u指令中的地址码个数指令中的地址码个数u指令系统设计的基本原则指令系统设计的基本原则u指令类型指令类型u数据类型数据类型寄存器组织寄存器组织存储器组织存储器组织u操作数的寻址方式操作数的寻址方式立即立即 / / 寄存器寄存器 / / 寄存器间接寄存器间接 / / 直接直接 / / 间接间接 / / 堆栈堆栈 / / 偏移偏移u操作码的编码操作码的编码定长编码法定长编码法变长扩展编码法变长扩展编码法u条件码和标志寄存器条件码和标志寄存器u指令设计风格指令设计风格 u指令系统举例指令系统举例主主 要要 内内 容容第二页,共九十页。 ISA.3Instruction Set Designinstruction setsoftwarehardware回顾:冯回顾:冯.诺依曼结构机器对指令规定:诺依曼结构机器对指令规定:u 用二进制表示,和数
2、据一起存放在主存中用二进制表示,和数据一起存放在主存中u 由两部分组成:操作码和操作数(或其地址码)由两部分组成:操作码和操作数(或其地址码) Operation Code: defines the operation type Operands: indicate operation source and destinationu指令系统处在软指令系统处在软/硬件交界面,能同时被硬件设计者和系统程序员看到硬件交界面,能同时被硬件设计者和系统程序员看到u硬件设计者角度:指令系统为硬件设计者角度:指令系统为CPU提供功能需求(易于硬件设计)提供功能需求(易于硬件设计)u系统程序员角度:通过指令系统来使用硬件,要求易于编写编译器)系统程序员角度:通过指令系统来使用硬件,要求易于编写编译器)u指令系统设计的好坏还决定了:计算机的性能和成本指令系统设计的好坏还决定了:计算机的性能和成本第三页,共九十页。 ISA.4Instruction Set ArchitectureADDSUBTRACTANDORCOMPARE.0101001110100111000111010.Programmers V
3、iewComputers ViewCPUMemoryI/OProgram(Instructions&Data)Princeton (Von Neumann) Architecture- 数据和指令存放在同一个存储器中数据和指令存放在同一个存储器中 - 存储空间利用率高存储空间利用率高 - 统一的访问接口统一的访问接口Harvard Architecture- 数据和指令存放在不同存储器数据和指令存放在不同存储器 - 存储访问效率高存储访问效率高 - 有利于流水线执行有利于流水线执行 第四页,共九十页。 ISA.5一条指令须包含的信息一条指令须包含的信息一条指令必须一条指令必须明显明显或或隐含隐含地包含以下信息:地包含以下信息:操作码:指定操作类型操作码:指定操作类型u ( (操作码长度:固定可变操作码长度:固定可变) )源操作数参照:一个或多个源操作数所在的地址源操作数参照:一个或多个源操作数所在的地址u ( (操作数来源:主操作数来源:主( (虚虚) )存存/ /寄存器寄存器/ /I/OI/O端口端口/ /指令本身)指令本身)结果值参照:产生的结果存放何处结果值参照:产生的结果存放何
4、处u ( (结果地址:主结果地址:主( (虚虚) )存存/ /寄存器寄存器/ /I/OI/O端口端口) )下一条指令地址:下条指令存放何处下一条指令地址:下条指令存放何处u ( (下条指令地址下条指令地址 :主:主( (虚虚) )存存) )u ( (正常情况隐含在正常情况隐含在PCPC中,改变顺序时由指令给出)中,改变顺序时由指令给出)第五页,共九十页。 ISA.6地址码字段的个数地址码字段的个数据上述分析知据上述分析知, ,一条指令包含个一条指令包含个操作码操作码操作码操作码和多个和多个地址码地址码地址码地址码零地址指令零地址指令u(1) (1) 无需操作数如:空操作停机等无需操作数如:空操作停机等u(2) (2) 所需操作数为默认的如:堆栈累加器等所需操作数为默认的如:堆栈累加器等u形式:形式:一地址指令一地址指令u其其地址既是操作数的地址,也是结果的地址地址既是操作数的地址,也是结果的地址u(1) (1) 单目运算:如:取反取负等单目运算:如:取反取负等u(2) (2) 双目运算:另一操作数为默认的如:累加器等双目运算:另一操作数为默认的如:累加器等u形式:形式:OPOPA1二地
5、址指令(最常用)二地址指令(最常用)u分别存放双目运算中两个操作数,并将其中一个地址作为结果的地址。分别存放双目运算中两个操作数,并将其中一个地址作为结果的地址。 u形式:形式:三地址指令(三地址指令(RISC风格)风格)u分别作为双目运算中两个源操作数的地址和一个结果的地址。分别作为双目运算中两个源操作数的地址和一个结果的地址。u形式:形式:多地址指令多地址指令u大中型机中用于成批数据处理的指令大中型机中用于成批数据处理的指令,如如:向量向量 / 矩阵等矩阵等A2A3OPA1A1OPA2第六页,共九十页。 ISA.7从指令执行周期看指令设计涉及的问题从指令执行周期看指令设计涉及的问题InstructionFetchInstructionDecodeOperandFetchExecuteResultStoreNextInstructionObtain instruction from program storageDetermine required actions Locate and obtain operand dataCompute result value or status
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