计算机组成原理李小勇zcyl4123.ppt

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1、6/6/2023,第四章 指令系统,4.1 指令系统的发展与性能要求4.2 指令格式4.3 操作数类型4.4 指令和数据的寻址方式4.5 典型指令,寿淳擂资新苫特演案味亲埠锨皋佐跑雏捅坡怀郊厦顿悯哩瞩让烯篷毗晾皿计算机组成原理（李小勇）zcyl-4-123计算机组成原理（李小勇）zcyl-4-123,6/6/2023,1、指令在计算机系统中的地位（1）是软件和硬件分界面的一个主要标志硬件设计人员采用各种手段实现它；软件设计人员则利用它编制各种各样的系统软件和应用软件（2）是硬件设计人员和软件设计人员之间的分界面，也是他们之间沟通的桥梁。,4.1指令系统的发展与性能要求,小告燕草终咏厢幢钥铬州颁

2、掇射屑牺绪瓢犁茶袄咋挛拣兔搏醋员姿票甭朽计算机组成原理（李小勇）zcyl-4-123计算机组成原理（李小勇）zcyl-4-123,6/6/2023,2、指令系统基本概念指令：就是要计算机执行某种操作的命令。从计算机组成的层次结构来说，计算机的指令有微指令、机器指令和宏指令之分。微指令是微程序级的命令，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。本章所讨论的指令，是机器指令。一台计算机中所有机器指令的集合，称为这台计算机的指令系统。指令系统是表征一台计算机性能的重要因素，它的格

3、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,4.1指令系统的发展与性能要求,硝民爹伟核榆铁贯娟炙皋曳澳恩肤剔墓鹤笆天弱疫嘶陇贵压棵颅胺谚橡茁计算机组成原理（李小勇）zcyl-4-123计算机组成原理（李小勇）zcyl-4-123,6/6/2023,3、发展情况复杂指令系统计算机，简称CISC。但是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。精简指令系统计算机：简称RISC，人们又提出了便于VLSI技术实现的精简指令系统计算机。,4.1指令系统的发展与性能要求,头

4、词诉琐脖丫写棋袁私蔡寒协畦曲拌晕账叮局各反女巾爽肄多己贮稍傣棘计算机组成原理（李小勇）zcyl-4-123计算机组成原理（李小勇）zcyl-4-123,6/6/2023,4、为什么会出现CISC到RISC的转变2/8规则:在任何一组东西中，最重要的只占其中的一小部分，约20，其余80尽管是多数，却是次要的，因此又称二八定律。控制器设计难度下降:许多指令可用最基本的指令编程来实现。,4.1指令系统的发展与性能要求,旦靠猾企维抄沪冗墟惩疵欠掇贸宽录颧采汀胖泣婴遣遵军兔扬瓣茂钝让铭计算机组成原理（李小勇）zcyl-4-123计算机组成原理（李小勇）zcyl-4-123,6/6/2023,5、对指令系

5、统的要求完备性：完备性是指用汇编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。一台计算机中最基本、必不可少的指令是不多的。许多指令可用最基本的指令编程来实现。例如，乘除运算指令、浮点运算指令可直接用硬件来实现，也可用基本指令编写的程序来实现。采用硬件指令的目的是提高程序执行速度，便于用户编写程序。有效性：有效性是指利用该指令系统所编写的程序能够高效率地运行。高效率主要表现在程序占据存储空间小、执行速度快。一般来说，一个功能更强、更完善的指令系统，必定有更好的有效性。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

6、式的一致性。对称性是指：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，如算术运算指令可支持字节、字、双字整数的运算，十进制数运算和单、双精度浮点数运算等；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。例如指令长度和数据长度通常是字节长度的整数倍。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，即各机种上基本软件可以通用。但由于不同机种推出的时间不同，在结构和性能上有差异，做到所有软件都完全兼容是不可能的，只能做到“向上兼容”，即低档机上

7、运行的软件可以在高档机上运行。,4.1指令系统的发展与性能要求,熟拇妆造感袁谜数首讶波玛被肇痒植螟鹃赎员缠毒怎基貌证纽迂芥朵箍旨计算机组成原理（李小勇）zcyl-4-123计算机组成原理（李小勇）zcyl-4-123,6/6/2023,6、低级语言与高级语言关系,4.1指令系统的发展与性能要求,棋稍敷俭诉经援爷住侈嘱噬碴流瘸真烛尾虹乌舀掘替食英头箍捷吵闷疗何计算机组成原理（李小勇）zcyl-4-123计算机组成原理（李小勇）zcyl-4-123,6/6/2023,影响计算机指令格式的因素机器的字长存储器的容量指令的功能指令能反映以下信息做什么操作如果需要操作数，从哪里取结果送哪里下一条指令从哪

8、里取所以指令格式包括两个方面：,4.2 指令格式,哇鼎苦臃雇萧脐途捶辟箩妮奴处沽短畜胆期写次卒潘臣貌淮巨哎匆暮祁遵计算机组成原理（李小勇）zcyl-4-123计算机组成原理（李小勇）zcyl-4-123,6/6/2023,4.2.1 操作码 设计计算机时，对指令系统的每一条指令都要规定一个操作码。指令的操作码OP表示该指令应进行什么性质的操作，如进行加法、减法、乘法、除法、取数、存数等等。不同的指令用操作码字段的不同编码来表示，每一种编码代表一种指令。组成操作码字段的位数一般取决于计算机指令系统的规模。较大的指令系统就需要更多的位数来表示每条特定的指令。固定长度操作码：便于译码，扩展性差 可变

9、长度操作码：能缩短指令平均长度操作码的的位数决定了所能表示的操作数,n位操作码最多表示2n种操作,4.2 指令格式,季侧瘦托溜谬绥穿邦千产嘲舀芝秤山锚恋咳娠陵嫌筏久郎虹锅崖个凶殊吏计算机组成原理（李小勇）zcyl-4-123计算机组成原理（李小勇）zcyl-4-123,6/6/2023,可变长度的操作码(可扩展的操作码),这是操作码不固定的指令格式，四位是基本的操作码，还可以扩充，但是指令的字数不变，就是说把不用的地址码部分可以做操作码用。例如：假设某机器的指令长度为16位，包括4位基本操作码和三个4位地址码段。表示三地址指令：因有4位操作码则能表示16条；表示二地址指令：因有8位操作码则可表

10、示256条；表示一地址指令：因有12位操作码则可表示4096条。如果需要三地址、二地址、一地址指令各15条、零地址指令16条，则一样能够采用可变格式操作码实现。例如可以这样规定：15条三地址指令的操作码为：0000 1110（操作码4位可表示16条指令，由于只有15条，所以还剩余一种状态1111，可以做二地址指令的标记）15条二地址指令的操作码为：前4位1111，即 1111 0000 1111 111015条一地址指令的操作码为：前8位均为1，即 11111111 0000 11111111 111016条零地址指令的操作码为：前12位均为1，即 1111111111110000111111

11、1111111111,凡秘剪藤风然吨钻腾冗霍仓憨巴圈剁爵浸砰灿娃莆颊忿札咬茬染戴蕉佣赚计算机组成原理（李小勇）zcyl-4-123计算机组成原理（李小勇）zcyl-4-123,6/6/2023,4.2.2 地址码,根据一条指令中有几个操作数地址，可将该指令称为几操作数指令或几地址指令。三地址指令二地址指令单地址指令零地址指令,操作码（4位）1（6位）2（6位）,操作码,A3（6位）,4.2 指令格式,求曰哈机譬哲街衡月欺藩售唬役令氏噬尤述励迢凝宣滓受佳拭障讣壮崔腻计算机组成原理（李小勇）zcyl-4-123计算机组成原理（李小勇）zcyl-4-123,6/6/2023,4.2.2 地址码,三地

12、址指令指令格式如下：操作码 第一操作数A1 第二操作数A2 结果A3 功能描述：(A1)(A2)A3(PC)+1PC这种格式指令长度仍比较长，所以只在字长较长的大、中型机中使用，而小型、微型机中很少使用。,4.2 指令格式,辽遵曙炳哲约轻锌本朱漠鸭闷该缘笑筷婆专宇强钎螺匝棉俄虽辜柔篮柔充计算机组成原理（李小勇）zcyl-4-123计算机组成原理（李小勇）zcyl-4-123,6/6/2023,4.2.2地址码,二地址指令其格式如下：操作码第一操作数A1第二操作数A2 功能描述：(A1)(A2)A1(PC)+1PC二地址指令在计算机中得到了广泛的应用，但是在使用时有一点必须注意：指令执行之后，A

13、1中原存的内容已经被新的运算结果替换了。,4.2 指令格式,疡屿登禁镰副脐疡免庸猖距藕霞粟铬跪纲酮咖汲空摩皖以西蓄曙玫候丧豁计算机组成原理（李小勇）zcyl-4-123计算机组成原理（李小勇）zcyl-4-123,6/6/2023,4.2.2 地址码,二地址地址根据操作数的物理位置分为：SS 存储器-存储器类型RS 寄存器-存储器类型RR 寄存器-寄存器类型,慢,4.2 指令格式,战葬贫雌检震褥断披镰鸭成放匆岩梁灾沙单很撩取宇羔遍洁犬州赶帽簇脐计算机组成原理（李小勇）zcyl-4-123计算机组成原理（李小勇）zcyl-4-123,6/6/2023,4.2.2、地址码,一地址指令指令格式为：操

14、作码 第一操作数A1功能描述：(AC)(A1)A1(PC)+1PC单操作数运算指令，如“+1”、“-1”、“求反”指令中给出一个源操作数的地址,4.2 指令格式,具榨伏疚遂掏拴颇度莽烽书驱踪浓娘蓄纱硬魔鲤阻料脂宅扳次秦隘脸揍遮计算机组成原理（李小勇）zcyl-4-123计算机组成原理（李小勇）zcyl-4-123,6/6/2023,4.2.2、地址码,零地址指令其格式为：操作码“停机”、“空操作”、“清除”等控制类指令。,4.2 指令格式,或署亮谬匀柿像将榜松岔涂功告徒册悦闹勋速嗓镶懈席欣翻毙盼盗扰垫冠计算机组成原理（李小勇）zcyl-4-123计算机组成原理（李小勇）zcyl-4-123,6

15、/6/2023,4.2.3、指令长度,4.2 指令格式,1.指令字 机器字长-指计算机能直接处理的二进制数据的位数;指令字长-指令字长度等于机器字长度的指令，称为单字长指令；指令字长度等于半个机 器字长度的指令，称为半字长指令；指令字长度等于两个机器字长度的指令，称为双字长指令。2多字长指令使用多字长指令的目的，在于提供足够的地址位来解决访问内存任何单元的寻址问题。但是主要缺点是必须两次或多次访问内存以取出整条指令，这就降低了CPU的运算速度，同时又占用了更多的存储空间。,烬辽借货珐希堡凝亥云带是校廖募迈习斤忻笑埠著鸵陋眼旦佯们剑冉诫吏计算机组成原理（李小勇）zcyl-4-123计算机组成原理

16、（李小勇）zcyl-4-123,6/6/2023,4.2.3、指令长度,4.2 指令格式,3指令字结构 等长指令字结构-在一个指令系统中，如果各种指令字长度是相等的，称为等长指令字结构。优点：指令字结构简单：取指快、译码简单。变长指令字结构-如果在一个指令系统中，各种指令字长度随指令功能而异，就称为变长指令字结构。优点：指令字结构灵活，能充分利用指令长度；缺点：指令的控制较复杂。,婶柜肃遏柜金揍思抢鼠睹产所渺涡秃咬火毁腊赂尹妮邻骄威狄秃泻风睹翠计算机组成原理（李小勇）zcyl-4-123计算机组成原理（李小勇）zcyl-4-123,6/6/2023,4.2.4、指令助记符,为了便于书写和阅读程

17、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,4.2 指令格式,数据传递mov，load，store算术逻辑逻运算add，sub，and，not，or，xor，dec，inc，cmp*移位操作shl，shr，srl，srr*转移控制jmp，bnz，beq，call，ret，int，iretI/O指令in，out系统指令Halt，nop，wait，sti，cli,掸昨里包晕丽莫沥聂率襄盗剑雹擂砖串焉恃沸肩厕搭武旬够脏掌哲婆旋乒计算机组成原理（李小勇）zcyl-4-123计算机组成原理（李小勇）zcyl-4-123,6/6/2023,4.2.5、指令格式举例,8位微型计

18、算机的指令格式如8088，字长8位，指令结构可变包括单字长指令、双字长指令和三字长指令操作码长度固定PDP/11系列机的指令格式字长16位单字长指令操作码字段不固定,4.2 指令格式,镁厦孩君塌担释寡壕泛楞肥甘盲侦丝讽鹅逼马喂曲碰吞捆聪谢谊盗俄睦濒计算机组成原理（李小勇）zcyl-4-123计算机组成原理（李小勇）zcyl-4-123,6/6/2023,Pentium机指令格式指令长度可变，最短1个字节，最长12个字节，典型的CISC指令系统由可选前缀（04）、操作码（12）、一个由mod-R/M字节和一个SIB（Scale Index Base）比例变址字节组成的地址指定器、一个可选的位移量

19、（04）和一个可选的立即数字段（04）构成。,4.2.5、指令格式举例,4.2 指令格式,喉佯既抿夷寞捶约踏婶顺啮帜酸馆簧糕隋蝉谍聘缮镶属馏次摊甫圾御碗傻计算机组成原理（李小勇）zcyl-4-123计算机组成原理（李小勇）zcyl-4-123,6/6/2023,4.2 指令格式,例1：分析指令格式的特点,15 9 7 4 3 0,例2：分析指令格式的特点,15 10 7 4 3 0,位移量(16位),厂涨疟胳虞既譬春剃好彭艇密廉按龟热戒喂竟示铅央贸汹果藕斯津挣艇厢计算机组成原理（李小勇）zcyl-4-123计算机组成原理（李小勇）zcyl-4-123,6/6/2023,操作数类型地址数据:地址实际上也是一种形式的数据。数值数据:计算机中普遍使用的三种类型的数值数据：(1)定点数；（2）浮点数；（3）BCD码。字符数据:文本数据或字符串，目前广泛使用ASCII码。逻辑数据:一个单元中有几位二进制bit项组成，每个bit的值可以是1或0。当数据以这种方式看待时，称为逻辑性数据。Pentium数据类型(见P111表4.4),4.3 操作数类型,烙携颓乃笼痰高光刀狡坠孤桐倔剿淖啮式卓缕搓耪仆编煞窝团汰凰擂避待计算机组成原理（李小勇）zcyl-4-123计算机组成原理（李小勇）zcyl-4-123,