曹桂涛计算机组成4

1、2020/10/30,1,第4章 指令系统,2020/10/30,2,主要内容,指令系统基本概念 指令格式 寻址方式 典型指令类型,2020/10/30,3,4.1 指令系统基本概念,指令、指令系统、程序 机器指令的特点 CISC和RISC,2020/10/30,4,指令概念,指令与机器指令 指令就是要计算机执行某种操作的命令。 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。 指令系统 一台计算机中所有机器指令的集合，它是表征一台计算机性能的重要因素，其格式与功能不仅直接影响到机器的硬件结构，也直接影响到系统软件，影响到机器的适用范围。 程序 计算机的程

2、序是由一系列的指令组成的。,2020/10/30,5,机器指令的特点,机器指令是面向机器的计算机语言 机器指令与汇编语言 系列计算机 指基本指令系统相同、基本体系结构相同的一系列计算机,2020/10/30,6,CISC：复杂指令系统计算机,指令系统中的指令数多 指令功能全 寻址方式丰富 指令格式多样 占指令总数20%的指令使用频率达80%,2020/10/30,7,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 指令长度固定、指令格式种类少、寻址方式种类少 只有取数/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,2020/10/30,8,指令系统的性能要求,完备性用汇编

3、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。完备性要求指令系统丰富、功能齐全、使用方便。 有效性利用该指令系统所编写的程序能够高效率的运行。高效率主要表现在程序占据存储空间小、执行速度快。 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性。 对称性指在指令系统中所有的寄存器和存储器单元都可同等对待，所有的指令都可使用各种寻址方式； 匀齐性是指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是指指令长度和数据长度有一定的关系，以方便处理和存取。 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。,

4、2020/10/30,9,4.2 指令格式,指令字：操作码字段+地址码字段 操作码：表示指令的操作性质（唯一性/无二义性） 固定长度操作码：便于译码，扩展性差 可变长度操作码：能缩短指令平均长度 地址码：反映操作数地址或操作数 零地址、一地址、二地址、三地址 指令长度 指令字长度指一个指令字中包含二进制代码的位数 机器字长是指计算机能处理的二进制数据的位数 机器字长通常与主存单元的位数一致 固定长度：取指快、译码简单。 半字长、单字长、双字长、多字长 可变长度：可提高编码效率,2020/10/30,10,(2) 用4位代码对10条常用指令进行编码，用8位代码对90条不常用代码进行编码，即 00

5、00指令0的操作码 0001指令1的操作码 1000指令8的操作码 1001指令9的操作码 10100000指令10的操作码 10100001指令11的操作码 11101001指令99的操作码 指令操作码的平均长度为 490% + 810% = 4.4位。,例1 设某台计算机有100条指令，(1) 采用固定长度操作码编码，试设计其操作码的编码。(2) 假如这100条指令中有10条指令的使用概率达到90%，其余90条指令的使用概率为10%。试采用不等长编码设计操作码。,解： (1) 采用固定长度操作码编码时，需要7位操作码。取其中的100个代码作为指令操作码，可以用0000000到1100011

6、之间的代码代表100条指令，即 0000000指令0的操作码 0000001指令1的操作码 1100011指令99的操作码 剩下从1100100到1111111共28个代码可用于增加新指令，每条指令的操作码的长度都是7。,2020/10/30,11,例2 若某计算机要求有如下形式的指令：三地址指令12条，二地址指令60条，零地址指令16条(不要求有单地址指令)。设指令字长为16位，每个地址码长为4位，试用扩展操作码为其编码。,解：三个地址码字段占12位。剩下4位作为操作码，12条指令的操作码分别为0000、0001、0010、1011。 在双地址指令中，操作码扩展到8位。取其中6位，可以有64

7、个编码，取60个，即1100 00001111 1011。 零地址指令中，全部16位指令代码都是操作码，取其前16个编码，即1111 1100 0000 00001111 1100 0000 1111。,2020/10/30,12,4.3 寻址方式,寻址方式:当采用地址指定方式时,形成操作数或指令地址的方式. 指令寻址方式 顺序寻址方式 跳跃寻址方式 操作数寻址方式（形成操作数的有效地址的方法） 有效地址 形式地址（也叫偏移量，是指令字结构中给定的地址量）,2020/10/30,13,操作数寻址方式,隐含寻址 立即寻址 直接寻址 间接寻址 寄存器寻址 寄存器间接寻址 相对寻址 堆栈寻址 段寻址

8、,2020/10/30,14,操作数寻址方式addressing mode,1. 隐含寻址 如ADD A 中的累加器AC AC+A AC 2. 立即寻址 如INT #3,操作数,3. 寄存器寻址 如INC R1,2020/10/30,15,操作数寻址方式（续）,4. 直接寻址 如INC 1000,操作数,2020/10/30,16,操作数寻址方式（续）5. 间接寻址寄存器间接，如INC (R1)存储器间接，如INC (1000),A,操作数,A,操作数,2020/10/30,17,操作数寻址方式（续）6. 相对寻址如INC 8(PC),操作数,2020/10/30,18,操作数寻址方式（续）7

9、. 变址和基址寻址如INC A(R1),变址寻址indexed mode -便于数组访问 基址寻址based mode -可扩大寻址范围，可实现程序浮动,I,操作数,2020/10/30,19,各种常见寻址方式的汇编指令表示,2020/10/30,20,寻址方式举例,例 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是主存中的一个单元。三种指令的操作码分别是MOV（OP Code）（A）H ，STA（OP Code ）（1B）H ，LDA（OP Code ）（3C）H

10、。MOV是传送指令，STA为写数指令，LDA为读数指令。 （教材P118） 要求： 分析三种指令的指令格式与寻址方式特点。 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？ 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,2020/10/30,21,解： 第一种指令是单字长二地址指令，RR型；第二种指令是双字长二地址指令，RS型，其中S采用基址寻址或变址寻址，R由源寄存器决定；第三种也是双字长二地址指令，R

11、S型，其中R由目标寄存器决定，S由20位地址（直接寻址）决定。 处理机完成第一种指令所花时间最短，因为是RR型指令，不需要访问存储器。第二种指令所花时间最长，因为是RS型指令，需要访问存储器，同时要进行寻址方式的变换运算（基址或变址），这也需要时间。第二种指令的执行时间不会等于第三种指令，因为第三种指令虽然也访问存储器，但节省了求有效地址运算的时间开销。 根据已知条件：MOV（OP）001010，STA（OP）011011，LDA（OP）111100,将指令的十六进制格式转换成二进制代码且比较后可知： （F0F1）H （3CD2）H 指令代表LDA指令，编码正确，其含义是把主存（13CD2）H

12、 地址单元的内容取至15号寄存器。 （2856)H 指令代表MOV指令，编码正确，含义是把6号源寄存器的内容传送至5号目标寄存器。 （6FD6）H 是单字长指令，一定是MOV指令，但编码错误，可改正为（28D6）H （1C2）H 是单字长指令，代表MOV指令，但编码错误，可改正为（28C2）H 。,2020/10/30,22,存储器堆栈,由程序员设置一部分主存储器作为堆栈 特点：先进后出 堆栈操作与堆栈指示器 压栈：(A)MSP, (SP)-1SP 退栈：(SP)+1SP, (MSP)A,2020/10/30,23,4.4 典型指令类型,数据传送指令 算逻运算指令 程序控制指令 输入输出指令

13、字符串处理指令 特权指令 其他指令,2020/10/30,24,数据传送指令,寄存器间数据传送 MOV AX , BX 寄存器与存储器之间 MOV AX , 2000H MOV 2000H , AX 堆栈操作 PUSH AX POP AX,2020/10/30,25,算术运算指令,加减运算指令 ADD AX , BX SUB AX , BX 乘除运算指令 MUL AX , BX DIV AX , BX 加一减一指令 INC AX DEC AX,2020/10/30,26,逻辑运算指令,逻辑运算 AND AX , BX OR AX , BX XOR AX , BX NOT AX 移位操作 SHR

14、 AX SHL AX,2020/10/30,27,程序控制指令,无条件转换指令 JMP 条件转移指令 JC JNC 子程序调用与返回 CALL RET,2020/10/30,28,输入输出指令,输入指令 IN AX , 10H 输出指令 OUT 20H , AX,2020/10/30,29,基本指令系统(CISC的主要特点),指令系统复杂 指令数多 寻址方式多 指令格式多 绝大多数指令需要多个时钟周期才能执行完成 各种指令都可访问存储器 采用微程序控制 有专用寄存器 难以用优化编译生成高效的目标代码程序,2020/10/30,30,RISC技术的主要特征,简化的指令系统 表现在指令数较少、基本寻址方式少、指令格式少、指令字长度一致 以寄存器寄存器方式工作 以流水方式工作 从而可在一个时钟周期内执行完毕一条指令 使用较多的通用寄存器以减少访存 不设置或少设置专用寄存器 采用由阵列逻辑实现的组合电路控制器，不用或少用微程序 采用优化编译技术，保证流水线畅通，