第二学期：软件工程专业本科生：计算机组成原理(总复习-第七章)

计算机组成原理

(总复习)厦门大学软件学院曾文华年6月6日第1页7.1机器指令7.2操作数类型和操作类型7.3寻址方式7.4指令格式举例7.5RISC技术第7章指令系统第2页7.1机器指令一、指令普通格式二、指令字长第3页一、指令普通格式

操作码字段

地址码字段1.操作码反应机器做什么操作(1)

长度固定(2)

长度可变用于指令字长较长情况，RISC如IBM370操作码8位操作码分散在指令字不一样字段中PDP-11、Intel8086、80386等第4页例7.1：假设指令字长为16位，操作数地址码为6位，指令有零地址、一地址、二地址等3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，则二地址指令有多少种？（2）采取扩展操作码技术，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个？解：（1）操作码固定，即只有4位，则：剩下二地址指令最多为16-P-Q（4位操作码+6位地址码+6位地址码）

（2）采取扩展操作码技术，则：二地址指令：XXXXA1-A6A1-A6X种一地址指令：1111XXXXXXA1-A6M种?零地址指令：1111111111XXXXXXY种一地址指令最多(24-X)*26

M种?

零地址指令最多[(24-X)*26-M]*26Y种Y=[(24-X)*26-M]*26M=(24-X)*26-Y*2-6第5页二地址指令有4种，零地址指令有64种，则一地址指令最多有1263种0000A1-A6A1-A60001A1-A6A1-A60010A1-A6A1-A60011A1-A6A1-A60100000000A1-A6……………0100111111A1-A6…………….1110000000A1-A6……………1110111111A1-A61111000000A1-A6……………1111111110A1-A61111111111000000………………11111111111111114种1263种=12*64-164种646463M=(24-X)*26-Y*2-6=(16-4)X64-1=1263

第6页7.2操作数类型和操作类型三、操作类型一、操作数类型二、数据在存放器中存放方式第7页一、操作数类型地址数字字符逻辑数无符号整数定点数、浮点数、十进制数ASCII逻辑运算二、数据在存放器中存放方式(第四章P73)字地址为低字节地址字地址为高字节地址37621540字地址04低字节04512673字地址04低字节低端对齐高端对齐第8页存放器中数据存放（存放字长为

32

位）地址（十进制）04812162024283236双字双字（地址32）双字双字（地址24）半字（地址20）半字（地址22）半字（地址16）半字（地址18）字节（地址

8）字节（地址

9）字节（地址10）字节（地址11）字（地址4）字（地址0）字节（地址14）

字节（地址15）字节（地址13）字节（地址12）边界对准地址（十进制）048字节(地址7)字节(地址6)字(地址2)半字(地址10)半字(地址8)半字(地址0)字(地址4)边界未对准

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32位64位16位第9页7.3寻址方式一、指令寻址二、数据寻址第10页寻址方式

确定本条指令

操作数地址下一条欲执行指令

指令地址指令寻址数据寻址寻址方式第11页一、指令寻址次序(PC)+1PC跳跃由转移指令指出LDA1000ADD1001DEC1200JMP7LDASUBINCSTA2500LDA1100...0123456789PC+1指令地址寻址方式指令地址指令次序寻址1次序寻址2次序寻址3跳跃寻址7次序寻址8指令执行次序为：0、1、2、3、7、8、9第12页二、数据寻址形式地址指令字中地址有效地址EA操作数真实地址约定

指令字长=存放字长=机器字长1.马上寻址

指令执行阶段不访存A位数限制了马上数范围形式地址A操作码寻址特征OP#A马上寻址特征马上数

可正可负补码形式地址A就是操作数MOVAX,

2300H第13页2.直接寻址EA=A操作数主存寻址特征LDAAAACC

执行阶段访问一次存放器A位数决定了该指令操作数寻址范围

操作数地址不易修改（必须修改A）有效地址由形式地址直接给出MOVAX,

(2300H)第14页3.隐含寻址操作数地址隐含在操作码中ADDA操作数主存寻址特征AACC暂存ALU另一个操作数隐含在ACC中如8086MUL指令被乘数隐含在AX（16位）或AL（8位）中MOVS指令源操作数地址隐含在SI中目标操作数地址隐含在DI中

指令字中少了一个地址字段，可缩短指令字长ADD

(2300H)相当于：ADDAX,(2300H)第15页4.间接寻址EA=（A）有效地址由形式地址间接提供OPA寻址特征AEA主存EAA1EAA1主存EA10

执行指令阶段2次访存

可扩大寻址范围

便于编制程序OPA寻址特征A一次间址屡次间址操作数操作数屡次访存MOVAX,

((2300))MOVAX,

(((2300)))第16页5.存放器寻址EA=Ri

执行阶段不访存，只访问存放器，执行速度快OPRi寻址特征

存放器个数有限，可缩短指令字长操作数…………R0RiRn存放器有效地址即为存放器编号MOVAX,

BX第17页EA=(Ri

)6.存放器间接寻址

有效地址在存放器中，操作数在存放器中，执行阶段访存操作数主存OPRi寻址特征

便于编制循环程序地址…………R0RiRn存放器有效地址在存放器中MOVAX,

(BX)第18页7.基址寻址(1)采取专用存放器作基址存放器EA=(BR)+ABR为基址存放器OPA操作数主存寻址特征ALUBR

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

在程序执行过程中BR内容不变，形式地址A可变MOVAX,

(BR+23)第19页8.变址寻址EA=(IX)+AOPA操作数主存寻址特征ALUIX

可扩大寻址范围

便于处理数组问题IX内容由用户给定IX为变址存放器（专用）

在程序执行过程中IX内容可变，形式地址A不变通用存放器也能够作为变址存放器MOVAX,

(IX+23)第20页9.相对寻址EA=(PC)+AA是相对于当前指令位移量（可正可负，补码）A位数决定操作数寻址范围

程序浮动

广泛用于转移指令操作数寻址特征ALUOPA相对距离A1000PC

…主存1000AOPJMPA第21页例7.2：当前指令地址为240，要求转移到290，则转移指令第二、三字节机器码是什么？当前指令地址为240，要求转移到200，则转移指令第二、三字节机器码是什么？解：290-243=47=2FH

第二字节为2FH、第三字节为00H200-243=-43=D5H

第二字节为D5H、第三字节为FFH43=00101011(-43)原码=10101011（-43）补码=11101001=D524024200H2412432FHXXHD5HFFH第22页10.堆栈寻址(1)堆栈特点堆栈硬堆栈软堆栈多个存放器指定存放空间先进后出（一个入出口）栈顶地址由SP

指出–11FFFH+1H进栈（SP）–1SP出栈（SP）+1SP栈顶栈底HSPH……1FFFHSP1FFFH栈顶栈底进栈出栈1FFFH栈顶H栈顶第23页例7.3：子程序调用指令机器码(32位)=OP5000H；PC=H；SP=0100H；栈顶内容=2746H（1）CALL指令被读取前，PC、SP及栈顶内容各为多少？（2）CALL指令被执行后，PC、SP及栈顶内容各为多少？（3）子程序返回后，PC、SP及栈顶内容各为多少？解：（1）CALL指令被读取前，PC=H、SP=0100H、栈顶内容=2746H（2）CALL指令被执行后，PC=5000H、SP=0100H-02=00FEH、栈顶内容=H（子程序返回地址）（3）子程序返回后，PC=H、SP=0100H、栈顶内容=2746H00HOP50HOP010027H46H010027H46H00FE04H20H5000第24页7.4指令格式举例一、设计指令格式时应考虑各种原因二、指令格式举例三、指令格式设计举例第25页三、指令格式设计举例例7.4：字长16位，存放器直接寻址空间为128字，变址时位移量为-64～+63，16个通用存放器均可作为变址存放器。设计一套指令系统格式，满足以下寻址类型要求：（1）直接寻址二地址指令3条。（2）变址寻址一地址指令6条。（3）存放器寻址二地址指令8条。（4）直接寻址一地址指令12条。（5）零地址指令32条。

试问还有多少种代码未用？若安排存放器寻址一地址指令，还能容纳多少条？解：（1）直接寻址：128字->7位（2）变址寻址：-64～+63->7位（3）存放器寻址：16个存放器->4位（4）直接寻址：128字->7位（5）零地址：第26页OPA1A22770001103条OPRxA254711000…………111016条OPRiRj84411110000……………111101118条OPA97111110000…11111101112条OP161111111000000000………………111111100001111132条直接寻址二地址指令3条变址寻址一地址指令6条存放器寻址二地址指令8条直接寻址一地址指令12条零地址指令32条第27页还有（128-32）+128+128+128=480种代码未用1111111000100000…………..11111110011111111111111010000000…………..11111110111111111111111100000000…………..11111111011111111111111110000000………….1111111111111111128-32128128128第28页若安排存放器寻址一地址指令，除去末4位为存放器地址外，还可容纳30条这种指令111111100010XXXX…………..111111100111XXXX111111101000XXXX…………..111111101111XXXX111111110000XXXX…………..111111110111XXXX111111111000XXXX………….111111111111XXXX8886第29页例7.5：某机器配有基址存放器和变址存放器，采取一地址格式指令系统，允许直接和间接寻址，且指令字长、机器字长和存放字长均为16位：（1）若采取单字长指令，共能完成105种操作，则指令可直接寻址范围是多少？一次间接寻址寻址范围是多少？画出其指令格式并说明各字段含义。（2）若存放字长不变，可采取什么方式直接访问容量为16MB主存？解：（1）105种操作->操作码=7位

允许直接和间接寻址，有基址存放器和变址存放器->2位寻址特征位（4种组合）可直接寻址27=128；一次间接寻址范围是216=65536OPMAD727第30页（2）采取双字长指令

形式地址为AD1//AD2，共7+16=23位，223=8M，存放字长为16位，故能够访问16MB主存（采取双字长指令直接访问容量为16MB主存）OPMAD1727AD2第31页例7.6：某模型机共有64种操作，操作码位数固定，且有以下特点：（1）采取一地址或二地址格式。（2）有存放器寻址、直接寻址和相对寻址（-128～+127）三种寻址方式。（3）有16个通用存放器，算术运算和逻辑运算操作数均在存放器中，结果也在存放器中。（4）取数/存数指令在通用存放器和存放器之间传送数据。（5）存放器容量为1MB，按字节编址。

要求设计算术逻辑指令、取数/存数指令和相对转移指令格式，并简述理由。解：（1）算术逻辑指令格式为存放器-存放器型M为寻址模式：可反应存放器寻址、直接寻址、相对寻址三种寻址方式。OPMRj6244Ri第32页（2）取数/存数寻址为存放器-存放器型

存放器地址=A1//A2=20位，可访问1MB容量存放器

M为寻址模式OPMA1624RiA24第33页（3）相对转移指令为一地址格式A为位移量：相对寻址（-128～+127）

M为寻址模式OPMA628第34页例7.7：某机共能完成110种操作，CPU有8个通用存放器（16位），主存容量为4M字，采取存放器-存放器型指令：（1）欲使指令可直接访问主存任一地址，指令字长应取多少位？画出指令格式。（2）若在上述设计指令字中设置一寻址特征位X，且X=1表示某个存放器作基址存放器，画出指令格式。试问基址寻址可否访问主存任一单元？为何？假如不能，提出一个方案，使其可访问主存任一位置。（3）若主存容量扩大到4G字，且存放字长等于指令字长，则在不改变上述硬件结构前提下，可采取什么方法使指令可访问存放器任一位置？解：（1）欲使指令可直接访问主存任一地址，采取存放器-存放器型指令：OP=7：110种操作R=8：8个通用存放器A=22：222=4MOPRA7322第35页(2)在上述设计指令字中设置一寻址特征位X，且X=1表示某个存放器作基址存放器RB基址寻址方式不能访问主存任一单元（RB=16位、A=18位，得不到4M字地址----需要22位）可将RB存放器内容左移6位，低位补0，形成22位基地址，然后与形式地址（18位）相加，得到有效地址即可访问4M字存放器任一单元OPRA7318RBX31第36页(3)若主存容量扩大到4G字，可采取一次间接寻址即可访问存放器任一单元，因为间接寻址后得到有效地址为32位(16位+16位)，232=4G第37页7.5RISC技术一、RISC产生和发展二、RISC主要特征

三、CISC主要特征

四、RISC和CISC比较

第38页一、RISC产生和发展

80—20规律

经典程序中80%语句仅仅使用处理机中20%指令表7.3IBM370机指令使用频度

执行频度高简单指令，因复杂指令存在，执行速度无法提升RISC（ReducedInstructionSetComputer）CISC（ComplexInstructionSetComputer）——RISC技术

能否用20%简单指令组合不惯用

80%指令功效？精简指令系统计算机复