计算机组成原理zcyl(1)

1、第四章第四章 指令系统指令系统4.1指令系统的开展与性能要求4.2指令格式4.3操作数类型4.4指令和数据的寻址方式4.5典型指令2024/5/8计算机学院体系结构中心计算机学院体系结构中心1、指令在计算机系统中的地位1是软件和硬件分界面的一个主要标志硬件设计人员采用各种手段实现它；软件设计人员那么利用它编制各种各样的系统软件和应用软件2是硬件设计人员和软件设计人员之间的分界面，也是他们之间沟通的桥梁。4.1指令系统的开展与性能要求指令系统的开展与性能要求2024/5/8计算机学院体系结构中心计算机学院体系结构中心2、指令系统根本概念指令：就是要计算机执行某种操作的命令。从计算机组成的层次结构来说，计算机的指令有微指令、机器指令和宏指令之分。微指令是微程序级的命令，它属于硬件；宏指令：由假设干条机器指令组成的软件指令，它属于软件；机器指令：介于微指令与宏指令之间，通常简称为指令，每一条指令可完成一个独立的算术运算或逻辑运算操作。本章所讨论的指令，是机器指令。一台计算机中所有机器指令的集合，称为这台计算机的指令系统。指令系统是表征一台计算机性能的重要因素，它的格式与功能不仅直接影响到机器

2、的硬件结构，而且也直接影响到系统软件，影响到机器的适用范围4.1指令系统的开展与性能要求指令系统的开展与性能要求2024/5/8计算机学院体系结构中心计算机学院体系结构中心3、开展情况复杂指令系统计算机，简称CISC。但是如此庞大的指令系统不但使计算机的研制周期变长，难以保证正确性，不易调试维护，而且由于采用了大量使用频率很低的复杂指令而造成硬件资源浪费。精简指令系统计算机：简称RISC，人们又提出了便于VLSI技术实现的精简指令系统计算机。4.1指令系统的开展与性能要求指令系统的开展与性能要求2024/5/8计算机学院体系结构中心计算机学院体系结构中心4、为什么会出现CISC到RISC的转变2/8规那么:在任何一组东西中，最重要的只占其中的一小局部，约20，其余80尽管是多数，却是次要的，因此又称二八定律。控制器设计难度下降:许多指令可用最根本的指令编程来实现。4.1指令系统的开展与性能要求指令系统的开展与性能要求2024/5/8计算机学院体系结构中心计算机学院体系结构中心5、对指令系统的要求完备性：完备性是指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

3、现。完备性要求指令系统丰富、功能齐全、使用方便。一台计算机中最根本、必不可少的指令是不多的。许多指令可用最根本的指令编程来实现。例如，乘除运算指令、浮点运算指令可直接用硬件来实现，也可用根本指令编写的程序来实现。采用硬件指令的目的是提高程序执行速度，便于用户编写程序。有效性：有效性是指利用该指令系统所编写的程序能够高效率地运行。高效率主要表现在程序占据存储空间小、执行速度快。一般来说，一个功能更强、更完善的指令系统，必定有更好的有效性。规整性：规整性包括指令系统的对称性、匀齐性、指令格式和数据格式的一致性。对称性是指：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；匀齐性是指：一种操作性质的指令可以支持各种数据类型，如算术运算指令可支持字节、字、双字整数的运算，十进制数运算和单、双精度浮点数运算等；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。例如指令长度和数据长度通常是字节长度的整数倍。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，即各机种上根本软件可以通用。但由于不同机种推出

4、的时间不同，在结构和性能上有差异，做到所有软件都完全兼容是不可能的，只能做到“向上兼容，即低档机上运行的软件可以在高档机上运行。4.1指令系统的开展与性能要求指令系统的开展与性能要求2024/5/8计算机学院体系结构中心计算机学院体系结构中心6、低级语言与高级语言关系比较内容高级语言低级语言1对程序员的训练要求(1)通用算法(2)语言规则(3)硬件知识有较少不要有较多要2对机器独立的程度独立不独立3编制程序的难易程度易难4编制程序所需时间短较长5程序执行时间较长短6编译过程中对计算机资源的要求多少4.1指令系统的开展与性能要求指令系统的开展与性能要求2024/5/8计算机学院体系结构中心计算机学院体系结构中心影响计算机指令格式的因素n机器的字长n存储器的容量n指令的功能指令能反映以下信息n做什么操作n如果需要操作数，从哪里取n结果送哪里n下一条指令从哪里取所以指令格式包括两个方面：操作码字段操作码字段地址码字段地址码字段4.2 指令格式指令格式2024/5/8计算机学院体系结构中心计算机学院体系结构中心4.2.1 操作码操作码设计计算机时，对指令系统的每一条指令都要规定一个操作码。指令

5、的操作码OP表示该指令应进行什么性质的操作，如进行加法、减法、乘法、除法、取数、存数等等。不同的指令用操作码字段的不同编码来表示，每一种编码代表一种指令。组成操作码字段的位数一般取决于计算机指令系统的规模。较大的指令系统就需要更多的位数来表示每条特定的指令。固定长度操作码：便于译码，扩展性差可变长度操作码：能缩短指令平均长度操作码的的位数决定了所能表示的操作数,n位操作码最多表示2n种操作4.2 指令格式指令格式2024/5/8计算机学院体系结构中心计算机学院体系结构中心可变长度的操作码可变长度的操作码(可扩展的操作码可扩展的操作码)这是操作码不固定的指令格式，四位是根本的操作码，还可以扩充，但是指令的字数不变，就是说把不用的地址码局部可以做操作码用。例如：假设某机器的指令长度为16位，包括4位根本操作码和三个4位地址码段。表示三地址指令：因有4位操作码那么能表示16条；表示二地址指令：因有8位操作码那么可表示256条；表示一地址指令：因有12位操作码那么可表示4096条。如果需要三地址、二地址、一地址指令各15条、零地址指令16条，那么一样能够采用可变格式操作码实现。例如可以这样规定

6、：15条三地址指令的操作码为：00001110操作码4位可表示16条指令，由于只有15条，所以还剩余一种状态1111，可以做二地址指令的标记15条二地址指令的操作码为：前4位1111，即111100001111111015条一地址指令的操作码为：前8位均为1，即11111111000011111111111016条零地址指令的操作码为：前12位均为1，即111111111111000011111111111111112024/5/8计算机学院体系结构中心计算机学院体系结构中心4.2.2 地址码地址码根据一条指令中有几个操作数地址，可将该指令称为几操作数指令或几地址指令。三地址指令二地址指令单地址指令零地址指令操作码（操作码（4 4位）位）1 1（6 6位）位）操作码操作码4 4位位1 16 6位位 2 26 6位位操作码（操作码（4 4位）位）1 1（6 6位）位）2 2（6 6位）位）操作码操作码A3A36 6位位4.2 指令格式指令格式2024/5/8计算机学院体系结构中心计算机学院体系结构中心4.2.2 地址码地址码三地址指令指令格式如下：操作码第一操作数A1第二操作数A2结果A

7、3功能描述：(A1)(A2)A3(PC)+1PC这种格式指令长度仍比较长，所以只在字长较长的大、中型机中使用，而小型、微型机中很少使用。A3A3A2A2A1A14.2 指令格式指令格式2024/5/8计算机学院体系结构中心计算机学院体系结构中心4.2.2地址码地址码二地址指令n其格式如下：nn操作码第一操作数A1第二操作数A2n功能描述：n(A1)(A2)A1n(PC)+1PCn二地址指令在计算机中得到了广泛的应用，但是在使用时有一点必须注意：指令执行之后，A1中原存的内容已经被新的运算结果替换了。A2A2A1A14.2 指令格式指令格式2024/5/8计算机学院体系结构中心计算机学院体系结构中心4.2.2 地址码地址码n二地址地址根据操作数的物理位置分为：nSS存储器-存储器类型nRS存放器-存储器类型nRR存放器-存放器类型慢4.2 指令格式指令格式2024/5/8计算机学院体系结构中心计算机学院体系结构中心4.2.2、地址码、地址码一地址指令指令格式为：操作码第一操作数A1功能描述：(AC)(A1)A1(PC)+1PC单操作数运算指令，如“+1、“-1、“求反指令中给出一个源操作

8、数的地址 A1A14.2 指令格式指令格式2024/5/8计算机学院体系结构中心计算机学院体系结构中心4.2.2、地址码、地址码零地址指令其格式为：操作码“停机、“空操作、“去除等控制类指令。4.2 指令格式指令格式2024/5/8计算机学院体系结构中心计算机学院体系结构中心4.2.34.2.3、指令长度、指令长度4.2 指令格式指令格式1.指令字指令字 机器字长机器字长-指计算机能直接处理的二进制数据的位数指计算机能直接处理的二进制数据的位数;指令字长指令字长-指令字长度等于机器字长度的指令，称为指令字长度等于机器字长度的指令，称为单字长指令；指令字长度等于半个机单字长指令；指令字长度等于半个机 器字长度的指令，器字长度的指令，称为半字长指令；指令字长度等于两个机器字长度的称为半字长指令；指令字长度等于两个机器字长度的指令，称为双字长指令。指令，称为双字长指令。2多字长指令多字长指令使用多字长指令的目的，在于提供足够的地址位来解使用多字长指令的目的，在于提供足够的地址位来解决访问内存任何单元的寻址问题。但是主要缺点是必决访问内存任何单元的寻址问题。但是主要缺点是必须两次或屡次访问内存

9、以取出整条指令，这就降低了须两次或屡次访问内存以取出整条指令，这就降低了CPU的运算速度，同时又占用了更多的存储空间。的运算速度，同时又占用了更多的存储空间。2024/5/8计算机学院体系结构中心计算机学院体系结构中心4.2.34.2.3、指令长度、指令长度4.2 指令格式指令格式3指令字结构指令字结构等长指令字结构-在一个指令系统中，如果各种指令字长度是相等的，称为等长指令字结构。优点：指令字结构简单：取指快、译码简单。变长指令字结构-如果在一个指令系统中，各种指令字长度随指令功能而异，就称为变长指令字结构。优点：指令字结构灵活，能充分利用指令长度；缺点：指令的控制较复杂。2024/5/8计算机学院体系结构中心计算机学院体系结构中心4.2.4、指令助记符、指令助记符为了便于书写和阅读程序，每条指令通常用3个或4个英文缩写字母来表示。这种缩写码叫做指令助记符4.2 指令格式指令格式数据传递nmov，load，store算术逻辑逻运算nadd，sub，and，not，or，xor，dec，inc，cmp*移位操作nshl，shr，srl，srr*转移控制njmp，bnz，beq，call

10、，ret，int，iretI/O指令nin，out系统指令nHalt，nop，wait，sti，cli2024/5/8计算机学院体系结构中心计算机学院体系结构中心4.2.5、指令格式举例、指令格式举例8位微型计算机的指令格式n如8088，字长8位，指令结构可变n包括单字长指令、双字长指令和三字长指令n操作码长度固定PDP/11系列机的指令格式n字长16位n单字长指令n操作码字段不固定4.2 指令格式指令格式2024/5/8计算机学院体系结构中心计算机学院体系结构中心Pentium机指令格式指令长度可变，最短1个字节，最长12个字节，典型的CISC指令系统由可选前缀04、操作码12、一个由mod-R/M字节和一个SIBScaleIndexBase比例变址字节组成的地址指定器、一个可选的位移量04和一个可选的立即数字段04构成。指令前缀段取代操作数长度取代地址长度取代操作码ModReg或操作码R/MSIB位移量立即数4.2.5、指令格式举例、指令格式举例4.2 指令格式指令格式2024/5/8计算机学院体系结构中心计算机学院体系结构中心4.2 指令格式指令格式例例1：分析指令格式的特点：分

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