计算机组成原理第7章_2指令系统

7 3寻址方式 寻址方式 确定本条指令的操作数地址下一条欲执行指令的指令地址 寻址方式 7 3寻址方式 一 指令寻址 顺序 跳跃 由转移指令指出 二 数据寻址 形式地址 指令字中的地址 有效地址 操作数的真实地址 约定 指令字长 存储字长 机器字长 1 立即寻址 指令执行阶段不访存 A的位数限制了立即数的范围 可正可负补码 形式地址A就是操作数 教学计算机指令格式 8位4位4位 IO端口地址 相对偏移量 SR DR 操作码 MVRDR3 1234R3 立即数1234 D表示立即数寻址 实验系统 2 直接寻址 EA A 寻址特征 A ACC 执行阶段访问一次存储器 A的位数决定了该指令操作数的寻址范围 有效地址由形式地址直接给出 STRA 2000 R2把R2的内容写入到地址为2000的内存单元之中 A表示直接地址寻址 实验系统 3 隐含寻址 操作数地址隐含在操作码中 寻址特征 A ACC 暂存 另一个操作数隐含在ACC中 如8086 MUL指令 被乘数隐含在AX 16位 或AL 8位 中 指令字中少了一个地址字段 可缩短指令字长 实验系统 INI OPORT R0 I OPORT PUSHSR SR入栈 4 间接寻址 EA A 有效地址由形式地址间接提供 寻址特征 A EA 主存 EA A1 EA A1 主存 EA 1 0 执行指令阶段2次访存 可扩大寻址范围 寻址特征 A 一次间址 多次间址 操作数 操作数 多次访存 80 81 201 202 调用子程序 调用子程序 间接寻址编程举例 间址特征 JMP 302 302 5 寄存器寻址 EA Ri 执行阶段不访存 只访问寄存器 执行速度快 寻址特征 寄存器个数有限 可缩短指令字长 有效地址即为寄存器编号 ADDR0 R1表示R0 R0 R1R代表寄存器寻址 MVRRR0 R1把寄存器R1的内容传送到寄存器R0 实验系统 EA Ri 6 寄存器间接寻址 操作数 主存 寻址特征 有效地址在寄存器中 STRR R8 R9把R9的内容传送到以寄存器R8的内容为地址的内存单元之中 R字母两侧加上方括号 代表寄存器间接寻址 实验系统 7 基址寻址 1 采用专用寄存器作基址寄存器 EA BR A BR为基址寄存器 操作数 主存 寻址特征 可扩大寻址范围 有利于多道程序 BR内容由操作系统或管理程序确定 在程序的执行过程中BR内容不变 形式地址A可变 2 采用通用寄存器作基址寄存器 寻址特征 R0作基址寄存器 由用户指定哪个通用寄存器作为基址寄存器 基址寄存器的内容由操作系统确定 在程序的执行过程中R0内容不变 形式地址A可变 8 变址寻址 EA IX A 寻址特征 可扩大寻址范围 便于处理数组问题 IX的内容由用户给定 IX为变址寄存器 专用 在程序的执行过程中IX内容可变 形式地址A不变 通用寄存器也可以作为变址寄存器 LDRXR1 12 R2 用X表示变址寻址 把变址寄存器R2的内容与变址偏移量12相加作为内存地址 进行读操作 读出的数据传送的寄存器R1 P316变址寻址的例子 实验系统 例 设数据块首地址为D 求N个数的平均值 直接寻址 变址寻址 LDAD ADDD 1 ADDD 2 ADDD N 1 DIV N STAANS LDA 0 LDX 0 INX CPX N BNEM DIV N STAANS 共N 2条指令 共8条指令 ADDX D M X为变址寄存器 D为形式地址 X 和 N比较 X 1X 结果不为零则转 D ACC 9 相对寻址 EA PC A A是相对于当前指令的位移量 可正可负 补码 A的位数决定操作数的寻址范围 程序浮动 广泛用于转移指令 操作数 寻址特征 相对距离A 1 相对寻址举例 M随程序所在存储空间的位置不同而不同 EA M 3 3 M 2 按字节寻址的相对寻址举例 JMP 设当前指令地址PC 2000H 转移后的目的地址为2008H 因为取出JMP 后PC 2002H 二字节指令 故JMP 指令的第二字节为2008H 2002H 06H P318例7 2 10 堆栈寻址 1 堆栈的特点 堆栈 硬堆栈 软堆栈 多个寄存器 指定的存储空间 先进后出 一个入出口 栈顶地址由SP指出 1 1FFFH 2000H 栈底 SP 2000H 1FFFH 栈顶 栈底 AX 30 AX SP 出栈 SP AX 2 堆栈寻址举例 PUSHA前 PUSHA后 POPA前 POPA后 3 SP的修改与主存编址方法有关 按字编址 进栈 出栈 按字节编址 存储字长16位 进栈 出栈 存储字长32位 进栈 出栈 P319例7 3 7 4指令格式举例 一 设计指令格式时应考虑的各种因素 1 指令系统的兼容性 向上兼容 2 其他因素 操作类型 数据类型 指令格式 包括指令个数及操作的难易程度 指令字长是否固定 寻址方式 寄存器个数 地址码位数 地址个数 寻址方式类型 操作码位数 是否采用扩展操作码技术 确定哪些数据类型可参与操作 指令寻址 操作数寻址 寄存器的多少直接影响指令的执行时间 二 指令格式举例 1 PDP 8 指令字长固定12位 采用扩展操作码技术 2 PDP 11 指令字长有16位 32位 48位三种 零地址 16位 一地址 16位 二地址R R 16位 二地址R M 32位 二地址M M 48位 扩展操作码技术 16位机器 3 IBM360 二地址R R 32位机器 4 Intel8086 1 指令字长 2 地址格式 1 6个字节 MOVWORDPTR 0204 0138H6字节 INCAX1字节 一地址 NOP1字节 CALL 零地址 寄存器 寄存器 寄存器 立即数 寄存器 存储器 ADDAX BX2字节 ADDAX 3048H 4字节 ADDAX 3048H3字节 二地址 CALL 16位 7 5RISC技术 一 RISC的产生和发展 80 20规律 典型程序中80 的语句仅仅使用处理机中20 的指令 执行频度高的简单指令 因复杂指令的存在 执行速度无法提高 RISC ReducedInstructionSetComputer CISC ComplexInstructionSetComputer 二 RISC的主要特征 选用使用频度较高的一些简单指令 复杂指令的功能由简单指令来组合 指令长度固定 指令格式种类少 寻址方式少 只有LOAD STORE指令访存 采用流水技术一个时钟周期内完成一条指令 采用组合逻辑实现控制器 CPU中有多个通用寄存器 采用优化的编译程序 三 CISC的主要特征 系统指令复杂庞大 各种指令使用频度相差大 指令长度不固定 指令格式种类多 寻址方式多 访存指令不受限制 大多数指令需要多个时钟周期执行完毕 采用微程序控制器 CPU中设有专用寄存器 难以用优化编译生成高效的目的代码 四 RISC和CISC的比较 1 RISC更能充分利用VLSI芯片的面积 2 RISC更能提高计算机运算速度 指令数 指令格式 寻址方式少 通用寄存器多 采用组合逻辑 便于实现指令流水 3 RISC便于设计 可降低成本 提高可靠性 4 RISC有利于编译程序代码优化 5 RISC不易实现指令系统兼容 例 指令系统共有74种指令 前4种使用频率平均为0 12 中间15种使用频率平均为0 02 最后55种使用频率平均为0 004 如何编码 平均码长为多少 平均码长的定义 i 表示指令Fi 指令的频率 度 Bi 编码所用的位数 000001010011100 0000100 1110100 1111 000000100 1111 110110平均码长 0 12 4 3 0 02 15 7 0 004 55 13 1 44 2 1 2 86 6 4 解 频率 40 12 指令数 150 02 550 004 例7 4 某机器字长16位 存储器直接寻址空间为128字 变址的位移量为 64 63 16个通用寄存器均可作为变址寄存器 设计一套指令格式 满足下列要求 直接寻址的二地址指令3条 变址寻址的一地址指令6条 寄存器寻址的二地址指令8条 直接寻址的一地址指令12条 零地址指令32条试问还有多少种代码未用 若安排寄存器寻址的一地址指令 还能容纳多少条 直接寻址的二地址指令3条 00011011 变址寻址的一地址指令6条 7 4 Rx 5 11 000001010011100101 110111 寄存器寻址的二地址指令8条 11110 11111 000001010011100101110111 直接寻址的一地址指令12条 128字 11111 0000000100100011010001010110011110001001101010111100110111101111 零地址指令32条 OP 16位 11111 1100110111101111 9位 0