计算机组成(2)

1、第4章 指令系统5/5/20241编辑课件主要内容n指令系统根本概念n指令格式n寻址方式n典型指令类型5/5/20242编辑课件4.1 指令系统根本概念n指令、指令系统、程序n机器指令的特点nCISC和RISC5/5/20243编辑课件指令概念l指令与机器指令指令与机器指令l指令就是要计算机执行某种操作的命令。指令就是要计算机执行某种操作的命令。l机器指令指令：介于微指令与宏指令之间，机器指令指令：介于微指令与宏指令之间，每条指令可完成一个独立的算术运算或逻辑运算。每条指令可完成一个独立的算术运算或逻辑运算。l指令系统指令系统l一台计算机中所有机器指令的集合，它是表征一一台计算机中所有机器指令的集合，它是表征一台计算机性能的重要因素，其格式与功能不仅直台计算机性能的重要因素，其格式与功能不仅直接影响到机器的硬件结构，也直接影响到系统软接影响到机器的硬件结构，也直接影响到系统软件，影响到机器的适用范围。件，影响到机器的适用范围。l程序程序l计算机的程序是由一系列的指令组成的。计算机的程序是由一系列的指令组成的。5/5/20244编辑课件机器指令的特点n机器指令是面向机器的计算机语言n机器

2、指令与汇编语言n系列计算机n指根本指令系统相同、根本体系结构相同的一系列计算机 5/5/20245编辑课件CISC：复杂指令系统计算机n指令系统中的指令数多n指令功能全n寻址方式丰富n指令格式多样n占指令总数20%的指令使用频率达80%5/5/20246编辑课件RISC：精简指令系统计算机n选取使用频率最高的一些简单指令n指令长度固定、指令格式种类少、寻址方式种类少n只有取数/存数指令访问存储器，其余指令的操作都在存放器之间进行5/5/20247编辑课件指令系统的性能要求n完备性用汇编语言编写各种程序时，指令系统直接提完备性用汇编语言编写各种程序时，指令系统直接提供的指令足够使用，而不必用软件来实现。完备性要求供的指令足够使用，而不必用软件来实现。完备性要求指令系统丰富、功能齐全、使用方便。指令系统丰富、功能齐全、使用方便。n有效性利用该指令系统所编写的程序能够高效率的运有效性利用该指令系统所编写的程序能够高效率的运行。高效率主要表现在程序占据存储空间小、执行速度行。高效率主要表现在程序占据存储空间小、执行速度快。快。n规整性规整性包括指令系统的对称性、匀齐性、指令规整性规整性包括指令

3、系统的对称性、匀齐性、指令格式和数据格式的一致性。格式和数据格式的一致性。n对称性指在指令系统中所有的存放器和存储器单元都可对称性指在指令系统中所有的存放器和存储器单元都可同等对待，所有的指令都可使用各种寻址方式；同等对待，所有的指令都可使用各种寻址方式；n匀齐性是指一种操作性质的指令可以支持各种数据类型；匀齐性是指一种操作性质的指令可以支持各种数据类型；n指令格式和数据格式的一致性是指指令长度和数据长度指令格式和数据格式的一致性是指指令长度和数据长度有一定的关系，以方便处理和存取。有一定的关系，以方便处理和存取。n兼容性系列机各机种之间具有相同的根本结构和共同兼容性系列机各机种之间具有相同的根本结构和共同的根本指令集，因而指令系统是兼容的。的根本指令集，因而指令系统是兼容的。5/5/20248编辑课件4.2 指令格式n指令字：操作码字段+地址码字段n操作码：表示指令的操作性质唯一性/无二义性n固定长度操作码：便于译码，扩展性差n可变长度操作码：能缩短指令平均长度n地址码：反映操作数地址或操作数n零地址、一地址、二地址、三地址n指令长度n指令字长度指一个指令字中包含二进制代码的位数n机

4、器字长是指计算机能处理的二进制数据的位数n机器字长通常与主存单元的位数一致n固定长度：取指快、译码简单。n半字长、单字长、双字长、多字长n可变长度：可提高编码效率5/5/20249编辑课件(2)用4位代码对10条常用指令进行编码，用8位代码对90条不常用代码进行编码，即0000指令0的操作码0001指令1的操作码1000指令8的操作码1001指令9的操作码10100000指令10的操作码10100001指令11的操作码11101001指令99的操作码指令操作码的平均长度为490%+810%=4.4位。例1 设某台计算机有100条指令，(1)采用固定长度操作码编码，试设计其操作码的编码。(2)假设这100条指令中有10条指令的使用概率到达90%，其余90条指令的使用概率为10%。试采用不等长编码设计操作码。解：解：(1)采用固定长度操作码编码时，需要7位操作码。取其中的100个代码作为指令操作码，可以用0000000到1100011之间的代码代表100条指令，即0000000指令0的操作码0000001指令1的操作码1100011指令99的操作码剩下从1100100到1111111共28

5、个代码可用于增加新指令，每条指令的操作码的长度都是7。5/5/202410编辑课件例2 假设某计算机要求有如下形式的指令：三地址指令12条，二地址指令60条，零地址指令16条(不要求有单地址指令)。设指令字长为16位，每个地址码长为4位，试用扩展操作码为其编码。解解：三个地址码字段占12位。剩下4位作为操作码，12条指令的操作码分别为0000、0001、0010、1011。n在双地址指令中，操作码扩展到8位。取其中6位，可以有64个编码，取60个，即1100 00001111 1011。n零地址指令中，全部16位指令代码都是操作码，取其前16个编码，即1111 1100 0000 00001111 1100 0000 1111。5/5/202411编辑课件4.3 寻址方式n寻址方式寻址方式:当采用地址指定方式时当采用地址指定方式时,形成操形成操作数或指令地址的方式作数或指令地址的方式.n指令寻址方式指令寻址方式n顺序寻址方式顺序寻址方式n跳跃寻址方式跳跃寻址方式n操作数寻址方式形成操作数的有效地址操作数寻址方式形成操作数的有效地址的方法的方法n有效地址有效地址n形式地址也叫偏移量，是指

6、令字结构中形式地址也叫偏移量，是指令字结构中给定的地址量给定的地址量5/5/202412编辑课件操作数寻址方式n隐含寻址n立即寻址n直接寻址n间接寻址n存放器寻址n存放器间接寻址n相对寻址n堆栈寻址n段寻址5/5/202413编辑课件操作数寻址方式操作数寻址方式addressing mode1.隐含寻址隐含寻址如ADD A 中的累加器AC AC+A AC2.立即寻址立即寻址如INT#3 操作数3.存放器寻址存放器寻址 如如INC R15/5/202414编辑课件操作数寻址方式续操作数寻址方式续4.直接寻址直接寻址如INC 1000操作数5/5/202415编辑课件操作数寻址方式续操作数寻址方式续5.间接寻址间接寻址存放器间接，如存放器间接，如INC(R1)存储器间接，如存储器间接，如INC(1000)A操作数A操作数5/5/202416编辑课件 操作数寻址方式续操作数寻址方式续6.相对寻址相对寻址如如INC 8(PC)操作数5/5/202417编辑课件 操作数寻址方式续7.变址和基址寻址如INC A(R1)变址寻址indexed mode-便于数组访问基址寻址based mode-可扩

7、大寻址范围，可实现程序浮动I操作数5/5/202418编辑课件各种常见寻址方式的汇编指令表示5/5/202419编辑课件寻址方式举例 例例 某某16位机器所使用的指令格式和寻址方式如下所示，该机有两个位机器所使用的指令格式和寻址方式如下所示，该机有两个20位位基址存放器，四个基址存放器，四个16位变址存放器，十六个位变址存放器，十六个16位通用存放器指令汇编格位通用存放器指令汇编格式中的式中的S源，源，D目标都是通用存放器，目标都是通用存放器，M是主存中的一个单元。是主存中的一个单元。三种指令的操作码分别是三种指令的操作码分别是MOVOP CodeAH，STAOP Code 1BH，LDAOP Code 3CH。MOV是传送是传送指令，指令，STA为写数指令，为写数指令，LDA为读数指令。为读数指令。教材教材P118 要求：要求：分析三种指令的指令格式与寻址方式特点。分析三种指令的指令格式与寻址方式特点。CPU完成哪一种操作所花时间最短？哪一种操作所花时间最长？第完成哪一种操作所花时间最短？哪一种操作所花时间最长？第二种指令的执行时间有时会等于第三种指令的执行时间吗？二种指令的执行时间

8、有时会等于第三种指令的执行时间吗？以下情况下每个十六进制指令字分别代表什么操作？其中如果有编以下情况下每个十六进制指令字分别代表什么操作？其中如果有编码不正确，如何改正才能成为合法指令？码不正确，如何改正才能成为合法指令？(F0F1)H(3CD2)H(2856)H 6FD6)H 1C2)H5/5/202420编辑课件解解：第一种指令是单字长二地址指令，第一种指令是单字长二地址指令，RR型；第二种指令是双字长二地址指型；第二种指令是双字长二地址指令，令，RS型，其中型，其中S采用基址寻址或变址寻址，采用基址寻址或变址寻址，R由源存放器决定；第三由源存放器决定；第三种也是双字长二地址指令，种也是双字长二地址指令，RS型，其中型，其中R由目标存放器决定，由目标存放器决定，S由由20位位地址直接寻址决定。地址直接寻址决定。处理机完成第一种指令所花时间最短，因为是处理机完成第一种指令所花时间最短，因为是RR型指令，不需要访问存型指令，不需要访问存储器。第二种指令所花时间最长，因为是储器。第二种指令所花时间最长，因为是RS型指令，需要访问存储器，型指令，需要访问存储器，同时要进行寻址方式的变换运算

9、基址或变址，这也需要时间。第二同时要进行寻址方式的变换运算基址或变址，这也需要时间。第二种指令的执行时间不会等于第三种指令，因为第三种指令虽然也访问存种指令的执行时间不会等于第三种指令，因为第三种指令虽然也访问存储器，但节省了求有效地址运算的时间开销。储器，但节省了求有效地址运算的时间开销。根据条件：根据条件：MOVOP001010，STAOP011011，LDAOP111100,将指令的十六进制格式转换成二进制代码且比较后将指令的十六进制格式转换成二进制代码且比较后可知：可知：F0F1H 3CD2H 指令代表指令代表LDA指令，编码正确，其含义是把指令，编码正确，其含义是把主存主存13CD2H 地址单元的内容取至地址单元的内容取至15号存放器。号存放器。2856)H 指令代表指令代表MOV指令，编码正确，含义是把指令，编码正确，含义是把6号源存放器的内号源存放器的内容传送至容传送至5号目标存放器。号目标存放器。6FD6H 是单字长指令，一定是是单字长指令，一定是MOV指令，但编码错误，可改正为指令，但编码错误，可改正为28D6H1C2H 是单字长指令，代表是单字长指令，代表MOV指令

10、，但编码错误，可改正为指令，但编码错误，可改正为28C2H。5/5/202421编辑课件存储器堆栈n由程序员设置一局部主存储器作为堆栈n特点：先进后出n堆栈操作与堆栈指示器n压栈：(A)MSP,(SP)-1SPn退栈：(SP)+1SP,(MSP)A5/5/202422编辑课件4.4 典型指令类型n数据传送指令数据传送指令n算逻运算指令算逻运算指令n程序控制指令程序控制指令n输入输出指令输入输出指令n字符串处理指令字符串处理指令n特权指令特权指令n其他指令其他指令 5/5/202423编辑课件数据传送指令n存放器间数据传送存放器间数据传送nMOV AX,BXn存放器与存储器之间存放器与存储器之间nMOV AX,2000HnMOV 2000H,AXn堆栈操作堆栈操作nPUSH AXnPOP AX5/5/202424编辑课件算术运算指令n加减运算指令加减运算指令ADD AX,BXSUB AX,BXn乘除运算指令乘除运算指令MUL AX,BXDIV AX,BXn加一减一指令加一减一指令INC AXDEC AX5/5/202425编辑课件逻辑运算指令n逻辑运算逻辑运算AND AX,BXOR AX

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