计算机组成原理第四章指令系统[二]

1、4.2.3 4.2.3 指令格式分析与设计方法举例指令格式分析与设计方法举例例例: :某某1616位机指令格式结构如下所示位机指令格式结构如下所示, ,试分试分析指令格式及寻址方式特点析指令格式及寻址方式特点. .OPOP目标寄存器目标寄存器源寄存器源寄存器15 10 9 8 7 4 3 015 10 9 8 7 4 3 0解解:( :(1) 1)单字长二地址指令；单字长二地址指令；(2)OP(2)OP即操作码字段即操作码字段6 6位位, ,可指定可指定6464条指令；条指令；(3)(3)两个操作数都在寄存器中两个操作数都在寄存器中, ,故为故为R-RR-R型指令型指令, ,可以分别指定可以分

2、别指定1616个通用寄存器；个通用寄存器；(4)(4)该类指令结构常用于算逻运算类指令。该类指令结构常用于算逻运算类指令。 例例: :某某1616位机指令格式结构如下所示位机指令格式结构如下所示, ,试分析指试分析指令格式及寻址方式特点令格式及寻址方式特点. .OPOP源寄存器源寄存器变址寄存器变址寄存器15 10 9 8 7 4 3 015 10 9 8 7 4 3 0解解: :(1)(1)双字长二地址指令；双字长二地址指令；(2)(2)操作码字段操作码字段6 6位位, ,可指定可指定6464条指令；条指令；(3)R-S(3)R-S型指令型指令, ,一个操作数在通用寄存器一个操作数在通用寄存

3、器( (共共1616个个) )中中, ,另一个在主存中；另一个在主存中；(4)(4)有效地址通过变址寻址求得有效地址通过变址寻址求得, ,变址寄存器变址寄存器由由1616个通用个通用R R里的一个如里的一个如RiRi充当充当, ,则则EA=(Ri)+EA=(Ri)+位移量位移量. .位移量位移量(16(16位位) )例例: :某机配有基址寄存器和变址寄存器某机配有基址寄存器和变址寄存器, ,采用采用一地址格式的指令系统一地址格式的指令系统, ,允许直接和间接寻允许直接和间接寻址址, ,且指令字长、机器字长和存储字长均为且指令字长、机器字长和存储字长均为1616位位, ,主存按字编址主存按字编址

4、. .(1)(1)若采用单字长指令若采用单字长指令, ,共能完成共能完成105105种操作种操作, ,则指令可直接寻址的范围是多少？一次间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式并说明各字段的含义. .【解答解答】105105种操作种操作, ,故操作码取故操作码取7 7位；位；按题意有按题意有4 4种寻址方式种寻址方式, ,故寻址方式特征位故寻址方式特征位取取2 2位位. .指令格式如下：指令格式如下：OPOPMMA A7 7位位 2 2位位 7 7位位各字段含义说明各字段含义说明( (略略) )指令可直

5、接寻址的范围：指令可直接寻址的范围：2 27 7=128=128；一次间接寻址的范围：一次间接寻址的范围： 2 21616=65536.=65536.(2)(2)若存储字长不变若存储字长不变, ,可采用什么方法直接可采用什么方法直接访问容量为访问容量为16MB16MB的主存？的主存？【解答解答】v16MB=8M16MB=8M1616位位, ,需要需要2323位的地址位才位的地址位才能访问该主存的全部单元能访问该主存的全部单元. .v可在上述可在上述(1)(1)指令格式的基础上，采用双指令格式的基础上，采用双字长指令；格式如下：字长指令；格式如下：7 7位位 2 2位位 7 7位位A2A2OPO

6、PMMA1A1形式地址形式地址A=A1/A2A=A1/A2共共2323位；刚好寻址位；刚好寻址8M8M个个1616位位. .例例: :某某1616位模型机共有位模型机共有6464种操作种操作, ,操作码位置操作码位置固定固定, ,且具有以下特点：且具有以下特点：(1)(1)采用一地址或二地址格式；采用一地址或二地址格式；(2)(2)有寄存器寻址、直接寻址和相对寻址有寄存器寻址、直接寻址和相对寻址( (位位移量为移量为-128+127)-128+127)三种寻址方式；三种寻址方式；(3)(3)有有1616个通用寄存器个通用寄存器, ,算术运算和逻辑运算算术运算和逻辑运算的操作数及运算结果都在寄存

7、器中；的操作数及运算结果都在寄存器中；(4)(4)取数取数/ /存数指令在通用寄存器和主存之间存数指令在通用寄存器和主存之间传送数据；传送数据；(5)(5)存储器容量为存储器容量为1MB,1MB,按字节编址按字节编址. .要求设计要求设计算逻指令算逻指令、取数取数/ /存数指令存数指令和和相对相对转移指令转移指令的格式的格式, ,并简述设计理由并简述设计理由. .解：解：(1)(1)算逻指令为算逻指令为R-RR-R型型, ,单字长单字长1616位二地址即位二地址即可：可：OPOPMMRiRiRjRj6 6位位 2 2位位 4 4位位 4 4位位 各个字段位数及作用说明各个字段位数及作用说明(

8、(略略). ). (2)(2)取数取数/ /存数指令为存数指令为R-SR-S型型, ,鉴于鉴于1MB1MB寻址的寻址的存储容量存储容量, ,需要使用双字长需要使用双字长3232位二地址格位二地址格式：式：OPOPMMRiRiA1A16 6位位 2 2位位 4 4位位 4 4位位 A2A2注意注意其中其中RiRi在在取数时为目标地址，取数时为目标地址，存数时为源地址；存数时为源地址；其他字段说明略其他字段说明略. .MM为寻址方式模式为寻址方式模式, ,表表示寄存器寻址、直接示寄存器寻址、直接寻址和相对寻址寻址和相对寻址. .解解: : (3)(3)相对转移指令：相对转移指令：按题目所给定的位移

9、量按题目所给定的位移量-128+127-128+127可知，可知，有有8 8位补码表示该位移量即可；位补码表示该位移量即可；再考虑再考虑OPOP字段字段6 6位和寻址方式字段位和寻址方式字段2 2位位, ,使使用单字长一地址指令就可以设计用单字长一地址指令就可以设计. .OPOPMMA A6 6位位 2 2位位 8 8位位各个字段位数及作用说明各个字段位数及作用说明( (略略). ). 例例: :某机主存容量为某机主存容量为4M4M1616位位, ,且存储字长且存储字长等于指令字长等于指令字长, ,若该机指令系统能完成若该机指令系统能完成9797种操作种操作, ,操作码位数固定操作码位数固定,

10、 ,具有直接、间接、具有直接、间接、变址、基址、相对、立即六种寻址方式变址、基址、相对、立即六种寻址方式. .(1)(1)画出一地址指令格式并指出各字段作用画出一地址指令格式并指出各字段作用. .解解: :一地址指令格式为：一地址指令格式为：OPOPMMA A7 7位位 3 3位位 6 6位位OPOP操作码字段操作码字段7 7位位9797种操作；种操作；MM寻址方式特征字段寻址方式特征字段3 3位位六种寻址方式；六种寻址方式；A A形式地址字段形式地址字段16-7-3=616-7-3=6位位. .(2)(2)该指令直接寻址的最大范围是多少？该指令直接寻址的最大范围是多少？解解: :A A是是6

11、 6位位,2,26 6=64=64是直接寻址的最大范围是直接寻址的最大范围. .(3)(3)一次间址和多次间址的寻址范围？一次间址和多次间址的寻址范围？解解: :存储字长存储字长1616位位, ,故一次间址寻址范围是故一次间址寻址范围是2 21616；若多次间址若多次间址, ,需用存储字的最高位来区别是需用存储字的最高位来区别是否继续间接寻址否继续间接寻址, ,故其寻址范围为故其寻址范围为2 21515. .(4)(4)立即数的范围？立即数的范围？解解: :A A是是6 6位位, ,若是有符号数则立即数的范围是若是有符号数则立即数的范围是 -32+31;-32+31;无符号数则为无符号数则为0

12、63.063.(5)(5)相对寻址的位移量相对寻址的位移量( (十进制数表示十进制数表示)? )?解解: :位移量为补码表示位移量为补码表示, ,所以有所以有 -32+31.-32+31.(6)(6)上述六种寻址方式的指令哪一种执行时上述六种寻址方式的指令哪一种执行时间最短？哪一种执行时间最长？哪一种间最短？哪一种执行时间最长？哪一种便于用户编制处理数组问题的程序？哪便于用户编制处理数组问题的程序？哪一种便于程序浮动？一种便于程序浮动？解解: :立即寻址的执行时间最短；立即寻址的执行时间最短；间接寻址的执行时间最长；间接寻址的执行时间最长；变址寻址指令便于用户编制处理数组问题变址寻址指令便于用

13、户编制处理数组问题的程序；的程序；相对寻址有利于程序浮动相对寻址有利于程序浮动. .v例例: :内存中数据分布如下内存中数据分布如下, ,若若A A为单元地为单元地址址,(A),(A)为为A A的内容的内容. .地址地址 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 NN内容内容 1 2 3 4 5 6 7 6 1 2 3 4 5 6 7 6 5 5试求试求:(7)-(N)+(N)+(N)=?:(7)-(N)+(N)+(N)=?解解: :因为因为: (7)=7, (N)=5,(N)=6,(N)=7: (7)=7, (N)=5,(N)=6,(N)=7所以所以 :(7)-(N)+

14、(N)+(N)=15:(7)-(N)+(N)+(N)=15注意：注意： 直接寻址、间接寻址的意义及表示法直接寻址、间接寻址的意义及表示法. .v例例: :设某台计算机的指令系统中共有设某台计算机的指令系统中共有5757条指令条指令: :v(1) (1) 若采用固定长度编码若采用固定长度编码, ,其操作码的其操作码的编码长度需要多少位？编码长度需要多少位？v 解解: :需要需要6 6位位, ,即从即从000000000000到到111011.111011.v(2) (2) 设该指令系统中有设该指令系统中有1010条指令的使用条指令的使用频率为频率为80%,80%,其余为其余为20%,20%,若采

15、用不等长若采用不等长编码方式编码方式, ,其操作码的平均长度为多少？其操作码的平均长度为多少？v 解解: : 采用不等长编码方式时采用不等长编码方式时, ,常用的指令常用的指令用短的操作码表示用短的操作码表示, ,不常用的指令可用长不常用的指令可用长操作码表示操作码表示. .v 10 10条常用指令用条常用指令用4 4位编码表示位编码表示, ,即从即从00000000到到1001.1001.v不常用的不常用的4747条指令需要条指令需要7 7位编码表示位编码表示, ,即即从从10100001010000到到1111110,1111110,操作码平均长度操作码平均长度: :v 4 480%+78

16、0%+720%=4.620%=4.64.3 CISC4.3 CISC和和RISCRISC4.24.2指令和数据的寻址方式指令和数据的寻址方式4.1 4.1 指令格式指令格式 4.3 CICS4.3 CICS和和RISCRISC2 2、6060年代后期年代后期- -由于集成电路由于集成电路(IC) (IC) 出现出现, ,硬件结构越硬件结构越加复杂加复杂, ,对指令系统功能的要求也越来越高对指令系统功能的要求也越来越高, ,增设了乘增设了乘除运算、浮点运算、十进制运算、字符串处理等指令除运算、浮点运算、十进制运算、字符串处理等指令, ,指令数目达一二百条指令数目达一二百条, ,寻址方式趋于多样化

17、寻址方式趋于多样化, ,引入了各引入了各种数据类型，指令系统不断扩大种数据类型，指令系统不断扩大; ; 1、5050年代年代计算机技术水平较低计算机技术水平较低, ,使用的元件体积使用的元件体积大、功耗高、价格高，故硬件结构简单大、功耗高、价格高，故硬件结构简单, ,指令系统的指令系统的功能也相对简单功能也相对简单, ,其中只有加减及逻辑运算、数据传其中只有加减及逻辑运算、数据传送、转移等十几至几十条指令送、转移等十几至几十条指令, ,寻址方式简单寻址方式简单; ; 一、指令系统的发展一、指令系统的发展 引入系列机的概念引入系列机的概念: :基本指令相同、基本体系结基本指令相同、基本体系结构相

18、同的一系列计算机构相同的一系列计算机, ,如如IBM 370IBM 370系列、系列、VAX-VAX-11 11系列、系列、IBM PC(XT/AT/286/386/486/Pentium)IBM PC(XT/AT/286/386/486/Pentium)微机系列等微机系列等. . (1) (1)系列机系列机实现软件兼容的必要条件实现软件兼容的必要条件是是, ,该系列的该系列的各机种有共同的指令集各机种有共同的指令集, ,且新开发机种的指令系且新开发机种的指令系统一定包含旧机型的所有指令统一定包含旧机型的所有指令. . (2) (2)指令系统的改进是围绕缩小指令与高级语言的指令系统的改进是围绕

19、缩小指令与高级语言的语义差异以及有利于操作系统的优化而进行语义差异以及有利于操作系统的优化而进行. . 以上原因以上原因, ,使指令本身功能不断增强使指令本身功能不断增强, ,指令系统规指令系统规模不断加大模不断加大. . 3 3、7070年代末期年代末期随着随着LSILSI和和VLSIVLSI的出现的出现, ,计算计算机结构愈加复杂机结构愈加复杂, ,计算机指令系统多达几百条计算机指令系统多达几百条指令指令, ,称之为复杂指令集计算机称之为复杂指令集计算机complex complex instruction set computers,instruction set computers,简

20、称简称CISC.CISC. (1)CISC (1)CISC特点：特点： 指令系统复杂庞大，指令数目一般多达指令系统复杂庞大，指令数目一般多达200- 200- 300300条；条； 寻址方式多；寻址方式多； 指令格式多；指令格式多； 指令字长不固定；指令字长不固定； 各种指令使用频率、执行时间相差很大；各种指令使用频率、执行时间相差很大； 大多数采用微程序控制器大多数采用微程序控制器. .v对对CISCCISC机测试表明机测试表明: :最常使用的是一些最简单最最常使用的是一些最简单最基本的指令基本的指令, ,仅占指令总数的仅占指令总数的20%,20%,但在程序中但在程序中出现的频率却占出现的频

21、率却占80%.80%.4 4、为克服、为克服CISCCISC的不足的不足, ,提高指令执行速度提高指令执行速度, ,人们又人们又提出了便于提出了便于VLSIVLSI技术实现的精简指令集计算机技术实现的精简指令集计算机reduced instruction set computers,reduced instruction set computers,简称简称RISC.RISC. (1)RISC (1)RISC目的：目的： 希望用希望用20%20%左右的简单指令来组合实现不左右的简单指令来组合实现不常用的常用的80%80%指令的功能指令的功能. .但不是简单地将指令系但不是简单地将指令系统简化统

22、简化, ,而是而是通过简化指令系统通过简化指令系统, ,使计算机的结使计算机的结构更加简单合理构更加简单合理, ,从而提高处理速度从而提高处理速度. .(2)(2)认识认识RISCRISC优势的一个重要公式优势的一个重要公式P=In P=In CPI CPI T T其中，其中，vP P 计算机执行某程序需要的时间；计算机执行某程序需要的时间；v In In 高级语言程序编译后在机器上运高级语言程序编译后在机器上运 行的实际指令数；行的实际指令数；vCPI CPI 执行每条指令需要的平均周期执行每条指令需要的平均周期 数；数；vT T 每个每个机器周期机器周期所占的时间。所占的时间。下面列表比较

23、下面列表比较CISCCISC与与RISCRISC的三个参数的情况：的三个参数的情况：类型类型CISCCISCRISCRISC指令条数指令条数 指令平均周期数指令平均周期数 周期时周期时间间 In CPI TIn CPI T1 25 33ns5ns 1 25 33ns5ns 1.31.4 1.11.4 10ns2ns 1.31.4 1.11.4 10ns2ns P=In P=In CPI CPI T T由表可以看出由表可以看出:(1)RISC:(1)RISC指令较指令较CISCCISC简单简单, ,需用子程序代替需用子程序代替CISCCISC中较复杂指令中较复杂指令, ,故故RISCRISC中的

24、指令条数多于中的指令条数多于CISC;(2) CISC;(2) RISCRISC指令大多仅用一个机器周期完成指令大多仅用一个机器周期完成,CPI,CPI明显少于明显少于CISC;(3)CISC;(3)而且而且RISCRISC结构简单结构简单, ,完成一个操作经过的数据通完成一个操作经过的数据通路短路短,T,T值大大下降值大大下降. . 总之总之,RISC,RISC的执行速度快于的执行速度快于CISC.CISC.表表4.1 RISC/CISC4.1 RISC/CISC的的InIn、CPI CPI 、 T T统计比较统计比较(3) RISCRISC特点：特点：v选取使用频率最高的一些简单指令选取使用频率最高的一些简单指令, ,以及很有用但不复以及很有用但不复杂的指令组成指令系统杂的指令组成指令系统, ,复杂指令的功能由简单指令的复杂指令的功能由简单指令的组合来实现组合来实现; ;v指令长度固定指令长度固定, ,指令格式种类少指令格式种类少(2-3(2-3种种), ),寻址方式种类少寻址方式种类少(2-3(2-3种种) )；v以寄存器以寄存器- -寄存器方式工作寄存器方式工作, ,只有取数只有取数/ /存数存数(LOAD/STORE)(LOAD/STORE)指令访问存储器指令访问存储器, ,其余指令的操作都在寄其余指令的操作都在寄存器之间进行存器之间进行; ;vCP