计算机组成原理第四章.ppt

第四章指令系统,机器指令系列计算机指令格式寻址方式RISC和CISC,重点和难点指令及指令系统的概念指令的一般格式操作码和操作数指令和数据的寻址RISC和CISC的基本概念,教学要求,指令系统的发展与性能要求指令格式操作数类型指令和数据的寻址方式典型指令本章小结,主要内容,指令系统的发展与性能要求指令格式操作数类型指令和数据的寻址方式典型指令本章小结,主要内容,指令系统的发展指令和指令系统系列计算机RISC和CISC对指令系统性能的要求低级语言与硬件结构的关系,指令系统的发展与性能要求,指令：计算机执行某种操作的命令微指令：微程序级的命令，它属于硬件；宏指令：由若干条机器指令组成的软件指令，它属于软件；机器指令：介于微指令与宏指令之间，通常简称为指令，每一条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表征一台计算机性能的重要因素，它的格式与功能不仅直接影响到机器的硬件结构，而且也直接影响到系统软件，影响到机器的适用范围指令系统的设计是计算机系统设计的核心问题，不仅与计算机的硬件结构紧密相关，而且直接关系到用户的使用需要,指令系统的发展,系列计算机基本指令系统相同、基本体系结构相同的一系列计算机新机种的性能和价格方面比旧机种优越系列机解决了各机种的软件兼容问题RISC和CISCCISC，复杂指令系统计算机。指令系统多达几百条，如此庞大的指令系统不但使计算机的研制周期变长，难以保证正确性，不易调试维护，而且由于采用了大量使用频率很低的复杂指令而造成硬件资源浪费RISC，精简指令系统计算机。选取使用频率最高的一些简单指令，指令条数少；指令长度固定，指令格式种类少；只有取数和存数指令访问存储器，其余指令的操作都在寄存器之间进行。,指令系统的发展,完备性指令系统丰富、功能齐全、方便使用有效性利用指令系统编写的程序能够高效率地运行规整性对称性：所有指令可以使用各种寻址方式，寄存器和存储器单元可以同等对待匀齐性：一种操作性质的指令可以支持各种数据类型指令格式和数据格式的一致性：指令长度和数据长度相关，以便处理和存取兼容性系列机各机种上基本软件可以通用，但只能做到“向上兼容”,对指令系统性能的要求,程序设计与计算机语言程序设计：编写程序的过程计算机语言：程序设计所使用的主要工具低级语言和高级语言低级语言：机器语言和汇编语言。面向机器的语言，与具体机器的指令系统密切相关高级语言：语句和用法与具体机器的指令系统无关机器语言和汇编语言机器语言：二进制代码语言。计算机能够直接识别和执行，但编程不方便汇编语言：符号语言。跟机器语言对应，依赖于机器硬件结构和指令系统，但不能直接在机器上执行,低级语言与硬件结构的关系,低级语言与硬件结构的关系,指令系统的发展与性能要求指令格式操作数类型指令和数据的寻址方式典型指令本章小结,主要内容,指令的一般格式操作码地址码指令字长度指令助记符指令格式举例,指令格式,指令的一般格式指令字：表示一条指令的机器字，简称指令指令格式：指令字用二进制代码表示的结构形式，通常由操作码字段和地址码字段组成一般格式：操作码表示指令的操作性质不同指令用操作码字段的不同编码表示，每一种编码代表一种指令操作码字段的位数取决于指令系统的规模定长操作码和不定长操作码,指令格式,地址码零地址指令一地址指令二地址指令存储器-存储器（SS）型指令寄存器-寄存器（RR）型指令寄存器-存储器（RS）型指令三地址指令,指令格式,指令字长度概念一个指令字包含的二进制代码位数就是指令字长单字长指令：指令字长等于机器字长的指令半字长指令：指令字长等于半个机器字长的指令双字长指令：指令字长等于两个机器字长的指令多字长指令等长指令字结构变长指令字结构,指令格式,指令助记符由于硬件只能识别1和0，所以采用二进制操作码是必要的，但是我们用二进制来书写程序却非常麻烦。为了便于书写和阅读程序，每条指令通常用3个或4个英文缩写字母来表示。这种缩写码叫做指令助记符用34个英文字母来表示操作码，一般为英文缩写不同的计算机系统，规定不一样必须用汇编语言翻译成二进制代码实例：P108表4.2,指令格式,指令助记符实例,指令格式,指令格式举例教学机指令格式单字长指令双字长指令,指令格式,单字、无操作数指令RET单字、单操作数指令INCDRJRADRINI/OPORT单字、双操作数指令ADDDR,SRMVRRDR,SRSTRRDR,SR,教学机指令格式,双字、单操作数指令JMPAADRCALAADR双字、双操作数指令格式1MVRDDR,DATA格式2,教学机指令格式,【例1】指令格式如下所示，其中OP为操作码，是分析指令格式的特点。,【例2】指令格式如下所示，其中OP为操作码，是分析指令格式的特点。,指令格式,指令系统的发展与性能要求指令格式操作数类型指令和数据的寻址方式典型指令本章小结,主要内容,操作数类型,一般的数据类型地址数据数值数据字符数据逻辑数据Pentium数据类型PowerPC数据类型,指令系统的发展与性能要求指令格式操作数类型指令和数据的寻址方式典型指令本章小结,主要内容,指令的寻址方式顺序寻址方式跳跃寻址方式操作数基本寻址方式有效/形式地址隐含寻址立即寻址直接寻址间接寻址,指令和数据的寻址方式,寄存器寻址寄存器间接寻址偏移寻址段寻址堆栈寻址,顺序寻址方式,指令的寻址方式,程序计数器,+1,使用程序计数器（PC）来计数指令在内存中的地址,跳跃寻址方式,指令的寻址方式,当执行转移指令时，由指令的地址码部分给出下条指令的地址，程序按新的地址开始顺序执行。,程序计数器,操作数的基本寻址方式,寻址：获得操作数的有效地址隐含寻址指令中隐含着操作数的地址立即寻址指令地址字段指出的是操作数本身，而非操作数地址直接寻址指令地址字段给出操作数在内存的地址，即EA=A,操作数的基本寻址方式,间接寻址指令地址字段指出操作数地址的指示器，即EA=(A)寄存器寻址指令地址字段指出操作数所在寄存器的编号，即EA=R寄存器间接寻址指令地址字段给出的寄存器内容不是操作数，而是操作数所在的内存单元地址，即EA=(R)段寻址实质是基址寻址,操作数的基本寻址方式,堆栈寻址寄存器堆栈和存储器堆栈偏移寻址直接寻址和寄存器间接寻址的结合有效地址EA=A+(R)三种偏移寻址相对寻址：R=PC基址寻址：寄存器R指出一个内存地址，以该地址为起始地址，偏移一个A值变址寻址：寄存器R指出一个偏移量，指令的地址字段指出一个内存地址A,其中I为间接寻址标志位，X为寻址模式字段，D为偏移量字段。通过I，X，D的组合，可构成如下表所示的寻址方式。请写出6种寻址方式的名称。,【例3】一种二地址RS型指令的结构如下所示：,操作数的基本寻址方式,操作数的基本寻址方式,【例4】某16位机器所使用的指令格式和寻址方式如下所示，该机有两个20位基址寄存器，四个16位变址寄存器，十六个16位通用寄存器。指令汇编格式中的S（源），D（目标）都是通用寄存器，M是主存中一个单元。三种指令的操作码分别是MOV(OP)=(A)H，STO(OP)=(1B)H，LAD(OP)=(3C)H。MOV是传送指令，STO为写数指令，LAD为读数指令。要求：（1）分析三种指令的指令格式与寻址方式特点。（2）CPU完成哪一种操作所花时间最短？哪一种操作所花时间最长？第二种指令的执行时间有时会等于第三种指令的执行时间吗？（3）下列情况下，每个十六进制指令字分别代表什么操作？其中如果有编码不正确，如何改正才能成为合法指令？(F0F1)H(3CD2)H(2856)H(6FD6)H(1C2)H,MOVS，D,STAS，M,LDAS，M,操作数的基本寻址方式,指令系统的发展与性能要求指令格式操作数类型指令和数据的寻址方式典型指令本章小结,主要内容,指令的分类（1）数据传送指令（2）算术运算指令（3）逻辑运算指令（4）程序控制指令（5）输入输出指令（6）字符串处理指令（7）特权指令（8）其他指令基本指令系统操作精简指令系统RISC指令系统的最大特点典型RISC指令系统的基本特征PowerPC机指令类型和格式,典型指令,无操作数指令PSHF；状态标志(C,Z,V,S,P1,P0,0,0)入栈POPF；弹出栈顶数据送状态标志寄存器RET；子程序返回单操作数指令DECDR；DRDR-1，置标志位INCDR；DRDR+1，置标志位SHLDR；DR逻辑左移，最低位补0，最高位移入CSHRDR；DR逻辑右移，最高位补0，最低位移入CJMPAADR；无条件跳转到地址ADRCALAADR；调用首地址为ADR的子程序,教学机基本指令,单操作数指令JRADR；无条件跳转到ADR，ADR当前PC值OFFSETJRCADR；当C=1时跳转到ADR，ADR当前PC值OFFSETJRNCADR；当C=0时跳转到ADR，ADR当前PC值OFFSETJRZADR；当Z=1时跳转到ADR，ADR当前PC值OFFSETJRNZADR；当Z=0时跳转到ADR，ADR当前PC值OFFSETINI/OPORT；从外设I/O端口读入数据到R0低位字节OUTI/OPORT；将R0低位字节的数据写入外设I/O端口PUSHSR；SR入栈POPDR；弹出栈顶数据送DR,教学机基本指令,双操作数指令ADDDR,SR；DRDR+SR，置标志位SUBDR,SR；DRDR-SR，置标志位ANDDR,SR；DRDRandS