计算机组成-07：指令系统

计算机组成之指令系统,计算机学院,本章主要内容,7.1机器指令,一、指令的一般格式,1.操作码,反映机器做什么操作,(1)长度固定,(2)长度可变,用于指令字长较长的情况,，RISC,如IBM370,操作码8位,操作码分散在指令字的不同字段中,(3)扩展操作码技术,操作码的位数随地址数的减少而增加,4位操作码,8位操作码,12位操作码,16位操作码,最多15条三地址指令,最多15条二地址指令,最多15条一地址指令,16条零地址指令,7.1,三地址指令操作码每减少一种可多构成24种二地址指令,二地址指令操作码每减少一种可多构成24种一地址指令,7.1,7.1,例7.1假设指令字长为16位，操作数的地址码为6位，指令有零地址、一地址、二地址三种格式。（1）设操作码固定，若零地址指令有P种，一地址指令有Q种，则二地址指令最多有几种？（2）采用扩展操作码技术，若二地址指令有X种，零地址指令有Y种，则一地址指令最多有几种？,2.地址码,(1)四地址,(2)三地址,86666,A1第一操作数地址,A2第二操作数地址,A3结果的地址,A4下一条指令地址,若PC代替A4,8888,4次访存,4次访存,寻址范围26=64,寻址范围28=256,若A3用A1或A2代替,7.1,(3)二地址,81212,或,4次访存,若ACC代替A1（或A2）,若结果存于ACC,(4)一地址,(5)零地址,824,无地址码,2次访存,寻址范围212=4K,寻址范围224=16M,3次访存,7.1,小结,当用一些硬件资源代替指令字中的地址码字段后,当指令的地址字段为寄存器时,可扩大指令的寻址范围,可缩短指令字长,可减少访存次数,三地址OPR1,R2,R3,二地址OPR1,R2,一地址OPR1,指令执行阶段不访存,可缩短指令字长,7.1,二、指令字长,指令字长决定于,操作码的长度,指令字长=存储字长,2.指令字长可变,操作数地址的长度,操作数地址的个数,1.指令字长固定,按字节的倍数变化,7.1,7.2操作数类型和操作种类,一、操作数类型,无符号整数,定点数、浮点数、十进制数,ASCII,逻辑运算,二、数据在存储器中的存放方式,字地址为低字节地址,字地址为高字节地址,存储器中的数据存放（存储字长为32位）,7.2,三、操作类型,1.数据传送,寄存器,寄存器,寄存器,寄存器,存储器,存储器,存储器,存储器,置“1”，清“0”,2.算术逻辑操作,加、减、乘、除、增1、减1、求补、浮点运算、十进制运算,与、或、非、异或、位操作、位测试、位清除、位求反,如8086,MOVE,STORE,LOAD,MOVE,PUSH,POP,例如,MOVE,MOVE,7.2,ADDSUBMULDIVINCDECCMPNEGAAAAASAAMAADANDORNOTXORTEST,3.移位操作,算术移位,4.转移,(1)无条件转移JMP,(2)条件转移,结果为零转（Z=1）JZ,结果溢出转（O=1）JO,结果有进位转（C=1）JC,跳过一条指令SKP,循环移位（带进位和不带进位）,如,逻辑移位,完成触发器,7.2,(3)调用和返回,CALLSUB1,CALLSUB2,CALLSUB2,RETURN,RETURN,7.2,INAX,n,OUTDX,AL,OUTn,AX,OUTDX,AX,(4)陷阱（Trap）与陷阱指令,意外事故的中断,设置供用户使用的陷阱指令,如8086INTTYPE软中断,提供给用户使用的陷阱指令，完成系统调用,5.输入输出,INAL,DX,INAX,DX,7.2,如,如,INAL,n,OUTn,AL,5.其他,7.2,等待、停机、空操作、开中断、关中断、置条件码,特权,非数值处理,向量、多处理机,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,7.3,2.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,操作数的地址不易修改（必须修改A）,有效地址由形式地址直接给出,7.3,3.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,MOVS指令,源操作数的地址隐含在SI中,目的操作数的地址隐含在DI中,指令字中少了一个地址字段，可缩短指令字长,7.3,4.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,A1,EA,执行指令阶段2次访存,可扩大寻址范围,便于编制程序,寻址特征,A,一次间址,多次间址,操作数,操作数,多次访存,7.3,调用子程序,调用子程序,间接寻址编程举例,(A)=81,(A)=202,间址特征,7.3,JMPA,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,7.3,EA=(Ri),6.寄存器间接寻址,有效地址在寄存器中，操作数在存储器中，执行阶段访存,寻址特征,便于编制循环程序,有效地址在寄存器中,7.3,7.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,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,7.3,(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,7.3,8.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,7.3,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,结果不为零则转,7.3,9.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,7.3,(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,7.3,(2)按字节寻址的相对寻址举例,JMP*+8,设当前指令地址PC=2000H,转移后的目的地址为2008H,因为取出JMP*+8后PC=2002H,二字节指令,故JMP*+8指令的第二字节为2008H-2002H=06H,7.3,7.3,例7.2设相对寻址的转移指令占3个字节，第一字节为操作码，第二、三字节为相对位移量（补码表示），而且数据在存储器中采用以低字节地址为字地址的存放方式。每当CPU从存储器取出一个字节时，即自动完成(PC)+1PC。（1）若PC当前值为240（十进制），要求转移到290（十进制），则第二、三字节的机器代码是什么？（2）若PC当前值为240（十进制），要求转移到200（十进制），则第二、三字节的机器代码是什么？,10.堆栈寻址,(1)堆栈的特点,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,+1,2000H,1FFFH,2000H,7.3,(2)堆栈寻址举例,PUSHA前,PUSHA后,POPA前,POPA后,7.3,(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,7.3,7.3,例7.3一条双字长直接寻址的子程序调用指令，其第一个字为操作码和寻址特征，第二个字为地址码5000H。假设PC当前值为2000H，SP的内容为0100H，栈顶内容为2746H，存储器按字节编址，而且进栈操作是先执行（SP）SP，后存入数据。试回答下列几种情况下，PC、SP及栈顶内容各为多少？（1）CALL指令被读取前。（2）CALL指令被执行后。（3）子程序返回后。,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.PDP8,指令字长固定12位,7.4,采用扩展操作码技术,2.PDP11,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RR(16位),二地址RM(32位),二地址MM(48位),扩展操作码技术,7.4,3.IBM360,二地址RR,7.4,4.Intel8086,(1)指令字长,(2)地址格式,16个字节,MOVWORDPTR0204,0138H6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，3048H4字节,ADDAX，3048H3字节,二地址,CALL,7.4,三、指令格式设计举例,7.4,例7.4某机字长16位，存储器直接寻址空间为128字，变址时的位移量为-64+63，16个通用寄存器均可作为变址寄存器。设计一套指令系统格式，满足下列寻址类型的要求。（1）直接寻址的二地址指令3条。（2）变址寻址的一地址指令6条。（3）寄存器寻址的二地址指令8条。（4）直接寻址的一地址指令12条。（5）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？,三、指令格式设计举例,7.4,例7.5设某机配有基址寄存器和变址寄存器，采用一地址格式的指令系统，允许直接和间接寻址，且指令字长、机器字长和存储字长均为16位。（1）若采用单字长指令，共能完成105种操作，则指令可直接寻址的范围是多少？一次间接寻址的寻址范围是多少？画出其指令格式并说明各字段的含义。（2）若存储字长不变，可采用什么方法直接访问容量为16MB的主存？,7.5RISC技术,一、RISC的产生和发展,8020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）,RISC技术,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,7.5,三、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