计算机组成与结构PPT课件(全)第5章指令系统.ppt
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1、第五章 指令系统,5.1 指令系统的发展5.2 指令格式5.3 数据表示5.4 寻址方式5.5 指令类型5.6 指令系统的兼容性5.7 RISC和CISC5.8 机器语言、汇编语言、高级语言,5.1 指令系统的发展,指令系统是计算机中一个最基本的概念。指令:计算机运行的最小的功能单位。指令系统即是一台计算机中所有的指令的集合。它是设计硬件的一个基本依据,对软件设计者来说,也是编程的基础。因此指令系统是软件和硬件的交互界面。计算机的性能与它所设置的指令系统关系很大,指令系统的设置又与机器的硬件结构密切相关。,指令的发展分三个阶段:,50年代和60年代早期,指令系统一般只有定点加减、逻辑运算、数据
2、传送和转移等最基本的指令,寻址方式也比较简单。60年代中后期,指令系统有了乘除运算、浮点数运算等。,70年代末,出现RISC精简指令系统。大量测试表明,最常使用的是一些比较简单的指令,这类指令仅占指令总数的20,但在各种程序中出现的频度却占80,其余大多数指令是功能复杂的指令,这类指令占指令总数的80,但其使用频度很低,仅占20。因此,人们把这种情况称为“20-80律”。从“20-80律”出发,人们开始了对指令系统合理性的研究,提出了精简指令系统的想法,出现了精简指令系统计算机,简称RISC。,5.2 指令格式,指令格式的重要性:计算机的指令格式与机器的字长、存储器的容量及指令的功能都有很大的
3、关系。5.2.1 指令格式 5.2.2 指令操作码的扩展技术 5.2.3 指令长度与字长的关系,掌 握,了解,5.2.1 指令格式,计算机是通过指令来处理各种数据,为指出数据的来源、操作结果的去向及执行何操作,一条指令必须包含以下信息:(1)操作码。(2)操作数的地址。(3)操作结果的存储地址。(4)下一条指令的地址。下一条指令的地址由程序计数器(PC)指出,仅当改变程序的运行顺序时,下条指令的地址才由指令给出。,根据地址码部分给出的地址个数,指令格式可分为如下五种。1、零地址指令 操作码格式:,操作码,例:停机指令 HLT,指令格式:A 操作数的存储器地址或寄存器名 指令只给出一个地址,该地
4、址既是操作数 的地址,又是操作结果的存储地址。,2、一地址指令,3、二地址指令,指令格式:A1:第一个源操作数的存储器地址或寄存器地址。A2:第二个源操作数和存放操作结果的存储器地址或寄存器地址。,4、三地址指令,指令格式:A1:第一个源操作数的存储器地址或寄存器地址 A2:第二个源操作数的存储器地址或寄存器地址 A3:操作结果的存储器地址或寄存器地址,例:ADD rs1 rs2 rd,5、多地址指令,此类指令功能强大,用于处理成批的数据,例如字符串处理指令、向量指令等等,为了描述这些数据,指令中需用多个地址来指出数据存放的首地址、长度、下标等。,指令格式小结,1、五种指令的优缺点比较:零地址
5、、一地址和二地址指令具有指令短,执行速度快,硬件实现简单等优点;二地址、三地址和多地址指令具有功能强,便于编程等优点,但硬件实现比较复杂。2、如何识别指令和数据:指令和数据都是以二进制形式存储,指令的地址由程序计数器规定,而数据的地址是由指令规定的。,5.2.2 指令操作码的扩展技术,指令操作码的长度决定了指令系统中完成不同操作的指令条数。若指令的操作码长度为K位,则至多能表示2k 条指令。,16条,思考题:某种格式的指令的操作码有4位,请问能表示的指令有几条?,指令操作码通常有两种编码形式:一、是固定格式,即操作码的长度固定,集中放在指令字的一个字段中;如IBM360,OP固定长度是8位。二
6、、是可变格式,即操作码的长度可变,分散地放在指令字的不同字段中。如INTEL 8086/Pentium其优点是能表示更多的指令,缺点是增加了指令译码和分析的难度。,例:,指令长为16位,其中为4位基本操作码字段,三个4位地址字段。若全部用于表示三地址指令,则只有16条,如果三地址指令15条,二地址指令15条,一地址指令15条,零地址指令16条,共61条,如何安排操作码?,一种可供操作码长度扩展的方法如下:,扩展方法,15条三地址指令的操作码由4位基本操作码从00001110给出,剩下一个码点1111,用于把操作码扩展到A1,即由4位扩展到8位;15条二地址指令的操作码由8位操作码从111100
7、0011111110给出,剩下一个码点11111111用于把操作码扩展到A2,即从8位扩展到12位;15条3地址指令的操作码由12位操作码从给出,剩下一个码点用于把操作码扩展到A3,即从12位扩展到16位;16条零地址指令的操作码由16位操作码从给出。,除此方法外还有其他扩展方法,如可形成15条三地址指令,14条二地址指令,31条一地址指令和16条零地址指令,共76条。使用哪种方法有个原则:使用频率高的指令应分配短的操作码,使用频率低的指令分配较长的操作码。,5.2.3 指令长度与字长的关系,指令的长度是指一条指令中所包含的二进制代码的位数,它取决于操作码字段的长度、操作数地址的个数及长度。字
8、长是指计算机能直接处理的二进制数据的位数。,指令长度应:尽可能短 等于字节的整数倍。指令长度可以等于机器字长,也可以大于或小于机器字长。在一个指令系统中,若所有指令的长度都是相等的,称为定长指令字结构;若各种指令的长度随指令功能而异,称为变长指令字结构。,5.3 数据表示,目前计算机的字长多为32位,存储器的地址一般按字节表示。要求多字节数据对准边界以减少访问存储器的次数。,按字节编址的双字数据的两种字节次序:(1)高字节为高地址(2)高字节为低地址,5.4 寻址方式,在程序执行过程中,操作数可能在运算部件的某个寄存器中或存储器中,可能在指令中,也可能在I/O端口中;组成程序的指令代码,一般是
9、在存储器中。寻址方式:确定本条指令的数据地址以及下一条要执行的指令地址的方式。下面介绍基本的八种寻址方式。,1、立即数寻址,操作数由指令的地址码部分直接给出来。优点:提高了指令的执行速度 缺点:操作数不能被修改,2、直接寻址,指令中地址码字段给出操作数的地址,根据此地址到存储器找操作数。多为双字指令。,图 1,3、寄存器直接寻址,CPU一般设置有一定数量的通用寄存器,用于存放操作数、操作数的地址或中间结果。如果指令地址码部分给出某一通用寄存器地址,而且所需的操作数就在这一寄存器中,则称为寄存器寻址。这种寻址方式的优点:从寄存器存取数据比主存快得多;由于寄存器的数量较少,其地址码字段比主存单元地
10、址字段短得多。,4、间接寻址,指令中给出的地址不是操作数的地址,而是存放操作数地址的地址。通常在指令格式中划出一位作为标志位,=0 直接寻址;=1 间接寻址。,寄存器间接寻址过程,存储器间接寻址过程,5、基址寻址,在计算机中设置一个专用的基址寄存器,或由指令指定一个通用寄存器为基址寄存器,操作数的地址由基址寄存器的内容和指令的地址码A相加得到。基址寄存器的内容称为基址值,地址码A通常被称为位移量,位移量可正可负。,有效地址或物理地址,专用基址寄存器寻址过程,通用寄存器做基址寄存器寻址过程,基址寄存器主要用于为程序或数据分配存储区。用于解决程序在存储器中的定位和扩大寻址空间等。基址寄存器中的值只
11、能由系统程序设定。,6、变址寻址,操作数在存储器中的地址由指令地址码部分给出的地址A和指定的变址寄存器X的内容通过加法器相加得到。,变址寻址是一种广泛采用的寻址方式,通常指令中的形式地址作为基准地址,而X的内容作为修改量。在遇到需要频繁修改地址时,无须修改指令,只要修改变寄存器中的值就可以了。,7、相对寻址,是基址寻址的一种变通,由程序计数器PC提供基准地址,即PC中的内容加上指令的地址码部分给出的位移量的和做为操作数的地址。操作数的地址与指令的地址的差值为一个固定的数。,8、堆栈寻址,在5.5节中介绍,寻址方式小结,如果使用高级语言编程,不需要考虑寻址方式,由编译程序来完成。不同的机器的寻址
12、方式是不同的或者同一种寻址方式不同的机器有不同的表达方式。,例:ADD A,B 有的机器把结果放到A;有的则把结果放到B,寻址方式小结,寄存器直接、寄存器间接寻址方式是最基本最常用的寻址方式。,2002年程序员考题,计算机指令系统中采用不同寻址方式的主要目的是(56)。在下列寻址方式中取得操作数速度最慢的是(57)。(56)A、可直接访问内存或外存B、提供扩展操作码并降低指令译码难度C、简化汇编指令的设计D、缩短指令长度,扩大寻址空间,提高编程灵活性(57)A、相对寻址 B、基址寻址C、寄存器间接寻址 D、存储器间接寻址,D,D,5.5 指令类型,指令的分类及功能 双字长运算,指令的分类及功能
13、,按指令完成的功能可分为:算术逻辑运算指令、移位指令、浮点运算指令、十进制运算指令、字符串处理指令、向量运算指令、数据传送指令、转移指令、堆栈指令、输入输出指令及特权指令等。下面分别说明各类指令的功能。,1、算术逻辑运算指令,算术运算指令 主要用于进行定点和浮点运算。这类运算包括加、减、乘、除以及加1、减1、比较等,有些机器还有十进制算术运算指令。绝大多数算术运算指令都会影响到结果状态标志位,通常的标志位有进位(C)、溢出(V)、全零(Z)、负(N)、奇偶位(P)。,如:结果为负时N=1,结果不为负时N=0,逻辑运算指令 一般计算机都具有与、或、非、异或(按位加)等逻辑运算指令。有的计算机还设
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