计算机组成原理第7章2指令系统.ppt
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,教学计算机指令格式,8位 4位 4位,IO端口地址/相对偏移量,SR,DR,操作码,MVRD R3,1234 R3立即数1234,D表示立即数寻址,实验系统：,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,有效地址由形式地址直接给出,STRA 2000,R2 把R2的内容写入到地址为2000的内存单元之中，A表示直接地址寻址。,实验系统：,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,指令字中少了一个地址字段，可缩短指令字长,实验系统：,IN I/O PORT,R0I/O PORT,PUSH SR,SR入栈,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,主存,EA,A1,EA,A1,主存,EA,1,0,执行指令阶段 2 次访存,可扩大寻址范围,寻址特征,A,一次间址,多次间址,操作数,操作数,多次访存,80,81,201,202,调用子程序,调用子程序,间接寻址编程举例,间址特征,JMP 302,302,5.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,ADD R0,R1表示 R0R0+R1R代表寄存器寻址,MVRR R0,R1把寄存器R1的内容传送到寄存器R0；,实验系统：,EA=(Ri),6.寄存器间接寻址,操作数,主存,寻址特征,有效地址在寄存器中,STRR R8,R9 把R9的内容传送到以寄存器R8的内容为地址的内存单元之中；R字母两侧加上方括号，代表寄存器间接寻址，,实验系统：,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,操作数,主存,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,(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,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,LDRX R1,12R2用X表示变址寻址，把变址寄存器R2的内容与变址偏移量12相加作为内存地址，进行读操作，读出的数据传送的寄存器R1；,P316变址寻址的例子,实验系统：,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,LDA D,ADD D+1,ADD D+2,ADD D+(N-1),DIV#N,STA ANS,LDA#0,LDX#0,INX,CPX#N,BNE M,DIV#N,STA ANS,共 N+2 条指令,共 8 条指令,ADD X,D,M,X 为变址寄存器,D 为形式地址,(X)和#N 比较,(X)+1 X,结果不为零则转,D ACC,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,(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,(2)按字节寻址的相对寻址举例,JMP*+?,设 当前指令地址 PC=2000H,转移后的目的地址为 2008H,因为 取出 JMP*+?后 PC=2002H,二字节指令,故 JMP*+?指令 的第二字节为 2008H-2002H=06H,P318例7.2,10.堆栈寻址,(1)堆栈的特点,堆栈,硬堆栈,软堆栈,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,2000 H,栈底,SP,2000 H,1FFFH,栈顶,栈底,AX=30,AX（SP）,出栈,（SP）AX,(2)堆栈寻址举例,PUSH A 前,PUSH A 后,POP A 前,POP A 后,(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,P319例7.3,7.4 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.PDP 8,指令字长固定 12 位,采用扩展操作码技术,2.PDP 11,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 R R(16 位),二地址 R M(32 位),二地址 M M(48 位),扩展操作码技术,16位机器,3.IBM 360,二地址 R R,32位机器,4.Intel 8086,(1)指令字长,(2)地址格式,1 6 个字节,MOV WORD PTR0204,0138H 6 字节,INC AX 1 字节,一地址,NOP 1 字节,CALL,零地址,寄存器 寄存器,寄存器 立即数,寄存器 存储器,ADD AX，BX 2 字节,ADD AX，3048H 4 字节,ADD AX，3048H 3 字节,二地址,CALL,16位,7.5 RISC 技 术,一、RISC 的产生和发展,80 20 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（Reduced Instruction Set Computer）,CISC（Complex Instruction Set Computer）,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,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,访存 指令 不受限制,大多数指令需要 多个时钟周期 执行完毕,采用 微程序 控制器,CPU 中设有 专用寄存器,难以 用 优化编译 生成高效的目的代码,四、RISC和CISC 的比较,1.RISC更能 充分利用 VLSI 芯片的面积,2.RISC 更能 提高计算机运算速度,指令数、指令格式、寻址方式少，通用 寄存器多，采用 组合逻辑，便于实现 指令流水,3.RISC 便于设计，可 降低成本，提高 可靠性,4.RISC 有利于编译程序代码优化,5.RISC 不易 实现 指令系统兼容,例,指令系统共有74种指令，前4种使用频率平均为0.12，中间15种使用频率平均为0.02，最后55种使用频率平均为0.004。如何编码？平均码长为多少？,平均码长的定义：,i：表示指令Fi：指令的频率（度）Bi：编码所用的位数,000 001 010 011 100-0000 100-1110 100-1111-000000 100-1111-110110平均码长：0.1243+0.02157+0.0045513=1.44+2.1+2.86=6.4,解：,频率,4 0.12,指令数,15 0.02,55 0.004,例7.4,某机器字长16位，存储器直接寻址空间为128字，变址的位移量为-64+63，16个通用寄存器均可作为变址寄存器，设计一套指令格式，满足下列要求：直接寻址的二地址指令3条 变址寻址的一地址指令6条 寄存器寻址的二地址指令8条 直接寻址的一地址指令12条零地址指令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？,直接寻址的二地址指令3条,00011011,变址寻址的一地址指令6条,7,4（Rx）,5,11,000001010011100101,110111,寄存器寻址的二地址指令8条,11 110,11 111,000001010011100101110111,直接寻址的一地址指令12条,128字,11 111,0000000100100011010001010110011110001001101010111100110111101111,零地址指令32条,OP（16位）,11 111,1100110111101111,9位,000000000000010000010.0011111,试问还有多少种代码未用？4*27-32=480,若安排寄存器寻址的一地址指令，还能容纳多少条？,4,11 111,1100110111101111,9位,000000000000010000010.0011111,12,32,010011100101110111,寄存器寻址的一地址指令,3*23+6,作业：P3357.147.16,
