计算机组成原理-第12讲(第4章).ppt

Shenyang Institute of Aeronautical Engineering 第四章 指令系统 4.1 指令的发展与性能要求 4.2 指令格式 4.3 指令码的扩展 4.4 指令和数据的寻址方式 4.5 RISC与CISC 1 Shenyang Institute of Aeronautical Engineering 硬件 计算机系统 软件 硬件：由中央处理机、存储器以及外部设备等组成的实际装置。 软件：为便于用户使用计算机而编写的各种程序，最终转换成 一系列机器指令后在计算机上执行。 指令系统决定了计算机的基本功能。 4.1指令的发展与性能要求 2 Shenyang Institute of Aeronautical Engineering 计算机程序一系列 指令 的有序集合。 指令是计算机执行某种操作的命令。 指 令 微指令 宏指令 机器指令 微程序级的命令，属硬件范畴。 由若干机器指令组成的软件指令，属软件。 介于微指令与宏指令之间，一条机器指令 可完成一个独立的算术运算或逻辑运算操作 指令系统 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 指令系统的概念 3 Shenyang Institute of Aeronautical Engineering 完善的计算机的指令系统应具备： 完备性：至少包含最基本的、必不可少的指令。 有效性：利用该指令系统所提供的指令编制的程序能够产生 高效率。占用存储空间小、执行速度快 兼容性：兼容性一般是指计算机的体系结构设计基本相同， 机器之间具有相同的基本结构、数据表示和共同的基 本指令集合。 指令系统的性能要求 4 Shenyang Institute of Aeronautical Engineering 4.2指令格式 操作码 操作数地址 操作结果的存储地 址 下一条指令的地址 执行程序 执行指令 输入数据 执行的操作 输出结果 数据的来源 执行的操作 结果的去向 一条指令包含的内容 5 Shenyang Institute of Aeronautical Engineering 操作码：指明本条指令所要完成的操作。 每条指令被分配一个确切的操作码（唯一性)。 必须具备的条件： 每条指令都要求它的操作码必须是独一无二的 指令系统中指令的个数N与操作码的位数n， 必须满足关系式：N2n 操作码OP地址码A（操作数）指令结构 指令格式 6 Shenyang Institute of Aeronautical Engineering 地址码：指明该指令的操作数据或操作数的主存地址 或寄存器地址。 指令的长度： 操作码的位数+(操作数地址个数)*(操作数地址码位数) 操作码OP地址码A（操作数） 指令结构 指令格式 7 Shenyang Institute of Aeronautical Engineering 指令中的地址码 三地址指令 OP码A1A2A3 二地址指令 OP码A1A2 一地址指令 OP码A 零地址指令 OP码 8 Shenyang Institute of Aeronautical Engineering 三地址指令 指令中含有三个操作数（地址码） 。 指令中的地址码 OP码A1A2A3 相关说明： （1）A1和A2运算完以后的结果存入A3。 操作形式: (A1)OP(A2)A3 （2）设指令和数据存放位置如右， 忽略其它因素 (A1)ADD(A2)A3 分析指令执行所需要的访存次数 共需访存4次 结果 指令 下一指令 第一操作数 第二操作数 050H 1F0H 230H 3C8H 9 Shenyang Institute of Aeronautical Engineering 指令中的地址码 二地址指令 指令中包含一个操作码和两个地址码。 也称为双操作数指令。 指令助记记符 MOV AL,04 MOV AX,04 OP码A1A2 相关说明： （1）A1既是源操作数，又是目标操作数，运算完毕后 的结果存入A1，A1可能是存储器地址，也可能是寄存器 号。 操作形式: (A1)OP(A2)A1 10 Shenyang Institute of Aeronautical Engineering 指令中的地址码 一地址指令 顾名思义，指令中只有一个操作码和一个地 址码。 指令中给出的一个地址既是操作数的地址，又 是操作结果 的存储地址。如加1、减1、移位等单操作 数指令。也称为单操作数指令。 操作形式：OP(A)A 或者: (AC) OP (A) A 指令助记记符 INC AX INC BX 11 Shenyang Institute of Aeronautical Engineering 指令中的地址码 零地址指令 指令中只有一个操作码，而无地址码。 这种指令有两种可能： （1）无需任何操作数。如空操作指令，停机指令 等。 （2）所需的操作数是默认的：某些堆栈操作指令 。 指令助记记符 HLT NOP 12 Shenyang Institute of Aeronautical Engineering 指令助记符 操作码OP地址码A（操作数） 纯二进制表示，记忆麻烦。 用英文单词来表示相应功能的指令，这些英文 单词称为指令助记符。 1101110000011010001 13 Shenyang Institute of Aeronautical Engineering 指令助记符 典型指令指令助记记符二进进制操作码码 加法ADD001 减法SUB010 传递MOV011 跳转JMP100 转子程序JSR101 存数STO110 取数LAD111 设指令系统仅有7条指令。 14 Shenyang Institute of Aeronautical Engineering 机器字长：计算机能直接处理的二进制数据的位数 按计算机的发展，从8位16位发展到32位和64位 决定计算机的运算精度。 地址码部分决定了指令的直接寻址能力。 若为n位，则能直接寻址2n字节。 早期计算机字长较短，采用下列方式提高寻址能力 增加机器字长以增加地址码长度，直接提高 采用地址扩展技术。存储空间分段，用基地址加上 位移量来增加地址码长度 机器字长与指令字长的关系 15 Shenyang Institute of Aeronautical Engineering 指令的长度： 操作码的位数+(操作数地址个数)*(操作数地址码位数) 存储器能直接访问的最小单位为字节，为了充分利用存储器 指令的长度通常为字节的整数倍。 指令的长度与机器字长之间有没有固定关系？ 无固定关系。指令可以短于机器字长，也可以比其长。 短指令格式：访存少，有利于提高运行速度，用于执行频率较 高的指令。 长指令格式：访存时间长，用于较为复杂的指令。 机器字长与指令字长的关系 16 Shenyang Institute of Aeronautical Engineering 地址个数多 指令长，一条指令功能较为强大，可以缩短程序长度 地址个数少 指令短，一条指令完成功能较少，程序长度较长，单条指令 访存次数也可以相应减少，硬件设计可以得到简化 ADD A1 ，A2，A3 ADD A1，A2 MOV A3，A1 地址个数对程序和指令长度的影响 17 Shenyang Institute of Aeronautical Engineering 4.3指令码的扩展 指令操作码的长度决定了指令系统中完成不 同操作的指令条数。设操作码有n位， 则指令条数最多为2n条 OP编码 方式 固定格式 操作码长度固定，集中放在一个字段 可变格式 OP长度可变，分散放在指令的不 同字段中 18 Shenyang Institute of Aeronautical Engineering 可变格式一：Huffman编码 Huffman编码的原则： 对使用频度较高的指令，分配较短的操作码字段； 对使用频度较低的指令，分配较长的操作码字段。 若采用自由可变长的huffman编码， 势必使得操作码的译码困难。 指令的长度有限，当地址码的数目确定后， 操作码的变长受其限制。 19 Shenyang Institute of Aeronautical Engineering 问题的提出 某机器的指令长度为16位，包括4位基本操作码和 三个4位地址字段。 若三地址指令仅需15条，两地址指令需15条，一地 址指令需15条，零地址指令需16条，共61条指令，应 如何安排操作码？ 61条指令，若采用固定长度编码，则操作码至少需要6位， 当前只 给定了4位，即使扩展成6位，也无法满足三地址指令的需要 可变格式二：指令操作码扩展技术 20 Shenyang Institute of Aeronautical Engineering 可能性 若指令长度固定，地址码个数不同，操作 码的长度也不同。 ADD A,B,C MOV A,B INC A HALT 可变格式二：指令操作码扩展技术 21 Shenyang Institute of Aeronautical Engineering 操作码的扩展需要兼顾指令条数和地址码的个数 OPA1A2An OPA1A2An O PA2An OPAn 指令扩展的要点： 操作码位数随地址码个数变化采取可变长度的类型； 不允许短操作码是长操作码的一部分，以保证指令间指令码 一定不重复； 根据需要灵活变通，但操作码长度为有限几种。 可变格式二：指令操作码扩展技术 22 Shenyang Institute of Aeronautical Engineering 例如：某机器的指令长度为16位，包括4位基本操作码 和三个4位地址字段。 若三地址指令仅需15条，两地址指令需15条，一地 址指令需15条，零地址指令需16条，共61条指令，应 如何安排操作码？ 1 5条 1 5条 1 5条 1 6条 可变格式二：指令操作码扩展技术 23 Shenyang Institute of Aeronautical Engineering 1 5条 1 5条 1 5条 1 6条 4 位 4 位 4 位 4 位 OPA3A2A1 OP OPA1 OP 00001110 1111留作扩展 A3A2A1 1111000011111110 11111111留作扩展 A1A2A2A1 111111110000111111111110 111111111111留作扩展 A1 11111111111100001111111111111111 为了缩短指令的平均长度，应用频率比较高的指令 应该分配较短的操作码。 确保指令码的唯一性； 可变格式二：指令操作码扩展技术 24 Shenyang Institute of Aeronautical Engineering 特点： 能充分利用指令字的各个字段； 在不增加指令长度的情况下扩展操作码的长度， 能表示更多的指令。 可变格式二：指令操作码扩展技术 25 Shenyang Institute of Aeronautical Engineering 实例 实际的机器中，比较成功的为B-1700机， 该机指令的操作码字段有4位，6位和10位三种长度。 26 Shenyang Institute of Aeronautica