计算机组成原理第五章_指令系统.ppt

第五章指令系统 学时 6学时重点 寻址方式和指令系统 概述指令系统操作数类型和存储方式寻址方式 主要内容 指令系统指令是指示计算机某种操作的命令 一台计算机能执行的全部指令的集合称为指令系统 它决定了一台计算机硬件的主要性能和基本功能 概述 机器指令的要素操作码源操作数目的操作数下一条指令的引用指令的表示 概述 1 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 指令操作码表示该指令进行什么性质的操作 2 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 目前 二地址指令和一地址指令用的最多 3 指令字长度一个指令字中包含二进制代码的为数 称为指令字长度 而机器字长是指计算机能直接处理的二进制数据的位数 它决定了计算机的运算精度 概述 指令操作码的扩展方法指令操作码通常有两种编码格式 一种是固定格式 即操作码的长度固定 且集中放在指令字的一个字段中 这种格式对简化硬件设计非常有利 在字长较长的大中型计算机中广泛实用 另一种是可变格式 即操作码的长度可变 且分散地放在指令字的不同字段 在字长较短的微型计算机和小型计算机中广泛采用 操作码长度可变使控制器设计复杂化 因此操作码的编码至关重要 通常在指令字中用一个固定长度的字段表示基本操作码 而对于一部分不需要某个地址码的指令 可将操作码扩充到地址码字段 这样既能充分利用指令字的各个字段 又能在不增加指令长度的情况下扩展操作码的长度 使它能表示更多的指令 概述 设某机器的指令长度为16位 有4位基本的操作码字段和两个6位地址码字段 其格式如下 概述 151211650 二地址指令只用15条 由4位基本操作码0000 1110组合给出 剩余一个1111用于把操作码扩展到A1 单地址指令由操作码1111000000 1111111110给出 剩余一个1111111111用于把操作码扩展到A2 零地址的16位操作码由1111111111000000 1111111111111111给出 二地址指令有15条 单地址指令有63条 零地址指令有64条 共计142条指令 概述 小端 大端次序及位序大端次序将最高有效字节存储在最小地址位置小端次序将最低有效字节存储在最小地址位置 操作数存储的方式 采用大端次序的优点 字符串排序方便十进制以及字符串的显示方便顺序一致性采用小端次序的优点 整形数据地址转换方便适合超长数据的算术运算 操作数的存储方式 指令的寻址方式顺序寻址方式 按照指令在内存的存放位置顺序地取出指令 然后执行的过程 为顺序寻址方式 跳跃寻址方式 程序转移执行的顺序 指令和数据的寻址方式 操作数的寻址方式隐含寻址立即寻址直接寻址间接寻址寄存器寻址方式和寄存器间接寻址方式相对寻址方式基值寻址方式变址寻址方式块寻址方式段寻址方式 指令和数据的寻址方式 隐含寻址这种类型的指令 不是明显地给出操作数的地址 而是指令中隐含着操作数的地址 指令和数据的寻址方式 立即指令的地址字段指出的不是操作数的地址 而是操作数本身 这种寻址方式称为立即寻址 立即寻址方式的特点是指令执行时间很短 因为它不需要访问内存取数 从而节省了访问内存的时间 例如 单地址的移位指令格式为 指令和数据的寻址方式 这里 D不表示地址 而是表示某寄存器中存放的操作数需要移位的次数 因此D可看做移位指令的操作数 F为标志位 当F 1时 进行右移 当F 0时 进行左移 OP 移位 FD 寄存器寻址方式当操作数不放在内存中 而是放在中央处理器的通用寄存器中时 可采用寄存器寻址方式 显然 此时指令中给出的操作数地址不是内存的地址单元号 而是通用寄存器的编号 在IBM370计算机的指令结构中 RR型指令 就是采用寄存器寻址方式 指令和数据的寻址方式 直接寻址直接寻址是一种基本的寻址方法 其特点是 在指令格式的地址字段中直接指出操作数在内存的地址D 由于操作数的地址直接给出而不需要经过某种变换或运算 所以称这种寻址方式为直接寻址方式 指令和数据的寻址方式 操作数 2000H 1350H 间接寻址间接寻址是相对于直接寻址而言的 在间接寻址的情况下 指令地址字段中的形式地址D不是操作数的真正地址 而是操作数地址的指示器 或者说D单元的内容才是操作数的有效地址 指令和数据的寻址方式 指令和数据的寻址方式 操作数 1234H 1000H 2000H 相对寻址是把程序计数器PC的内容加上指令格式中的形式地址D而形成操作数有效地址 程序计数器的内容就是当前指令的地址 因此 所谓 相对 寻址 就是相对于当前指令地址而言 采用相对寻址方式的好处是程序员勿需用指令的绝对地址编程 因而所编程序可以放在内存任何地方 指令和数据的寻址方式 指令和数据的寻址方式 PC 操作数 1234H 假设D 1000H PC 2000H 则有效地址 PC D 2000H 1000H 3000H操作数 3000H 1234H 3000H 变址和基值寻址方式变址寻址方式与基值寻址方式有点类似 它是把某个变址寄存器或基值寄存器的内容 加上指令格式中的形式地址而形成操作数的有效地址 指令和数据的寻址方式 指令和数据的寻址方式 A 操作数 复合寻址方式复合寻址方式是把间接寻址方式同相对寻址方式或变址相结合而形成的寻址方式 它分为先间接方式与后间接方式两种 1 变址间接式这种寻址方式是先把变址寄存器的内容A和形式地址D相加得A D 然后间接寻址 求得操作数的有效地址 操作数的有效地址为E A D 指令和数据的寻址方式 指令和数据的寻址方式 A NS 操作数 假设变址寄存器A的值为0050H D 1000H 则有效地址 A D 0050H 1000H 2345H操作数 2000H 2345H 2 间接变址式这种寻址方式是先将形式地址取间接变换 D N然后把N和变址寄存器的内容A相加 即得操作数的有效地址 操作数的有效地址表达式为E A D A N 指令和数据的寻址方式 假设变址寄存器A的值为0050H D 1000H 则有效地址 A D 0050H 1000H 0050 2000 2050H操作数 2050H 3456H 指令和数据的寻址方式 A 操作数 块寻址 通常在指令中支出数据块的起始地址和数据块的长度 常用在输入输出指令中 指令和数据的寻址方式 段寻址以8086的段寻址为例 这种寻址方式的实质是基值寻址 指令和数据的寻址方式 部分寻址方式的演示 指令和数据的寻址方式 指令和数据的寻址方式 指令和数据的寻址方式 指令长度位的分配影响寻址位决策的因素寻址方式的数目 操作数的数目 寄存器和存储器的比较 寄存器组的数目 地址范围 地址粒度等通常寻址位有两种编码方式 编码在操作码中 设置寻址方式描述符 指令和指令系统 变长编码方式 重点目标代码大小 固定长度编码方式 重点程序执行性能 指令和指令系统 指令的设计 混合型编码格式 指令和指令系统 指令的设计 数据传送类指令算术运算类指令逻辑运算类指令程序控制类指令输入输出类指令字符串处理指令特权指令其他指令 指令和指令系统 常用的指令 一般的操作数类型大小选择主要有 字节 半字 16位 单字 32位 和双字 64位 指令和指令系统 指令的使用 指令和指令系统 指令的使用 指令和指令系统 指令的使用 CISC 复杂指令系统RISC 精简指令系统 CISC和RISC CISC的问题庞大的指令集纷繁复杂的寻址模式硬件实现复杂 硬件资源的利用率低 体系结构设计的一个重要原则Makethecommoncasefast CISC和RISC 问题的提出 CISC和RISC 指令执行的特点 CISC和RISC 指令执行的特点 CISC和RISC 指令执行的特点 为什么要大量采用寄存器公共子表达式消去法可以有效地降低一个表达式的计算量 同时 将公共子表达式的计算结果保存在一个寄存器中有助于降低表达式计算的访存开销 CISC和RISC 大寄存器文件的使用 基于编译器的优化 基于编译器的优化 CISC的理由减小代码空间精简指令集结构的特征每周期一条指令寄存器 寄存器操作 Load Store类型结构 简单的寻址方式简单的指令格式 精简指令集结构 CSICvs RISC RISC流水线技术 RISC指令集结构 DLX具有一个简单的Load Store指令集 注重指令流水效率 简化指令的译码 高效支持编译器 最适合计算机体系结构教学用的指令集结构 RISC流水线技术 RISC流水线技术 32个32位的通用寄存器 GPRs 寄存器R0的内容恒为全0 RISC流水线技术 32个32位浮点寄存器 FPRs 单精度浮点数表示和双精度浮点数表示 寄存器寻址 立即值寻址 偏移寻址 寄存器间接寻址 存储器地址宽度为32位 RISC流水线技术 RISC流水线技术 RISC流水线技术 RISC流水线技术 Load和St