16第十六讲指令系统概述.ppt

指令系统概述 第4章指令系统 2 教学内容 指令系统指令格式寻址方式 3 教学要求 了解指令以及指令系统的概念 并能结合实例分析 了解指令的格式 分类 掌握各种寻址方式 以及产生寻址方式的目的 4 教学重点 寻址方式地址格式 一指令系统的发展程序 解决某一实际问题的指令序列指令 要计算机执行某种操作的命令 3 指令系统 一台计算机中所有机器指令的集合 1 微指令 微程序级的命令 属于硬件 2 宏指令 由若干机器指令和伪指令构成的软件指令 3 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 从计算机层次结构的观点看 指令可分三类 6 一指令系统 指令系统的设计指令功能 操作类型 指令格式 寻址方式指令系统设计基本要求完备性 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 有效性 高效率主要表现在程序占据存储空间小 执行速度快 7 一指令系统 指令系统设计基本要求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 兼容性系列机各机种之间具有相同的基本结构和共同的基本指令集 因而指令系统是兼容的 即各机种基本软件可以通用 8 指令分类 指令长度单字长指令 半字长指令 双字长指令指令使用权非特权指令 用户指令 特权指令指令性质指令格式 传送指令 算术运算指令 逻辑运算指令 移位指令 转移指令 字符串指令 程序控制指令 特权指令 调试指令 9 指令系统分类 CISC 复杂指令系统计算机 多达几百条研制周期长 不易调试维护 且造成硬件资源浪费RISC 精简指令系统计算机从CISC转变到RISC的原因指令系统百分比的20 80规律降低控制器设计难度 10 低级语言与硬件结构的关系 低级语言分机器语言 二进制 和汇编语言 符号 高级语言与低级语言的性能比较 高级语言的语句和用法与具体机器的指令系统无关低级语言和具体机器的指令系统密切相关机器语言是机器能直接识别和执行的惟一语言汇编语言与硬件关系密切 编写的程序紧凑 占内存小 速度快 适合编写经常与硬件打交道的系统软件高级语言不涉及机器的硬件结构 通用性强 编写程序容易 适合编写与硬件没有直接关系的应用软件 11 二指令格式设计 指令格式概分为操作码与地址码部分 现从这两个部分讨论 12 1操作码 定长操作码 在指令中 若其操作码有定长的N位且集中放在一个字段中 则其可以表示2N个操作指令 优缺点 简化硬件设计 减少指令译码时间 在大 中型计算机和超级计算机以及RISC中应用广泛 实例 IBM370操作码定长8位 13 扩展操作码 扩展操作码 根据各类指令的个数 统一的进行分配操作码的位数 优缺点 在不增加指令长度的基础上 指令的种类增加了 但是外围控制电路复杂 所以可以利用HUFFMAN编码法对指令的操作码编码 实例 PDP 11 VAX 11Z80Intel808680386 扩展操作码的方法很多 但是应注意 各指令的操作码不能重复 而且各类指令的格式应该统一规整 14 扩展码实例 已知指令长度为16位 每个地址码为4位 采用扩展码方法 设计15条三地址指令 15条二地址指令 15条一地址指令 16条零地址指令 画出扩展图 15 扩展码实例 已知指令长度为12位 每个地址码为3位 采用扩展码方法 设计4条三地址指令 255条一地址指令 8条零地址指令 画出扩展图 16 2地址码 指令分类 数据的来源SS 均来自内存 RR 均来自寄存器 RS 来自内存和寄存器 堆栈机器指令 17 指令的长度 机器字长 计算机能直接处理的二进制数的位数指令字长度 指令字包含二进制代码的位数 等长 变长两种等长指令字结构 结构简单 且指令字长度不变变长指令字结构 结构灵活 但控制较复杂 设L为指令字长度 N为机器字长度L N 单字长指令L 0 5N 半字长指令L 2N 双字长指令 多字长指令的优点 缺点 指令助记符 不同的计算机中 指令助记符的规定不同指令助记符借助汇编程序可自动转换成相应的二进制码 19 确定指令格式的原则 指令长度尽可能的短 方便在一个存储周期内进行读取 目前多采用多种类型指令长度 多种指令地址形式的指令格式 指令字长与机器字长应是字符长度的整数倍 注意给各种宽度的信息分配存储空间 IBM370采用的是信息整数边界原则 20 确定指令格式原则 a表示字节 WH表示半字 W表示字 WD表示双字 21 信息整数边界原则 原则 信息的地址 按字节编址 用该信息的首字节地址表示 必须是该信息宽度 字节数 的整数倍 例 字节编址 则字节地址为 半字地址为 0字地址为 00双字地址为 000 22 实例 设有一个1MB容量的存储器 字长32位 问 若按字节变址 按半字编址 按字编址 地址寄存器 数据寄存器各为几位 编址范围 23 实例 某机字长32位 主存储器按字节编址 现有4种不同长度的数据 字节 半字 字 双字 请采用节省空间的方法 把一批数据按顺序存放到主存 画出数据的存放示意图 字节 半字 双字 字 字节 字 双字 半字 单字 字节 24 指令格式举例PDP 11系列机 25 二奔腾机指令格式 前缀 指令 包