计算机组成原理第4章课件.ppt

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1、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,第4章 指令系统,4.1 指令系统的发展和性能要求,4.1.1 指令系统的发展4.1.2 对指令系统性能的要求4.1.3 低级语言与硬件结构的关系,4.1.1 指令系统的发展,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：微程序级的命令，它属于硬件；机器指令：简称指令，计算机可直接理解并执行。宏指令：由若干条机器指令组成的软件指令，它属于软件；指令系统：一台计算机中所有机器指令的集合。,4.1.

2、1 指令系统的发展,4.1.2对指令系统性能的要求,完善的计算机的指令系统应具备：1、完备性：完备性要求指令系统丰富、功能齐全、使用方便。2、有效性：指利用该指令系统所提供的指令编制的程序能够产生高效率。高效率即占用存储空间小、执行速度快。3、规整性：指令系统的对称性、匀齐性、指令格式与数据格式的一致性。（1）对称性：在指令系统中，所有寄存器和存储单元都可同等对待。（2）匀齐性：是指一种操作性质的指令可以支持各种数据类型。（3）指令的格式与数据格式的一致性：指令长度与数据长度有一定关系，以方便存取和处理。4、兼容性：是指计算机的体系结构设计基本相同，机器之间具有相同的基本结构、数据表示和共同的

3、基本指令集合。,4.1.3低级语言与硬件结构的关系,计算机语言具有高级语言和低级语言之分。低级语言机器语言（二进制语言）、汇编语言（符号语言）；面向机器编写，不可移植；可最大程度挖掘机器功能。高级语言（算法语言）C、Fortran、Java、Pascal等；方便描述求解过程，执行性能依赖编译程序；与指令系统无关，故可移植。,表4.1 高级语言与低级语言的性能比较,4.2 指令格式,4.2.1 操作码4.2.2 地址码4.2.3 指令字长度4.2.4 指令助记符4.2.5 指令格式举例,指令格式即指令字用二进制代码表示的结构形式，由操作码字段和地址码字段组成。,表征指令的操作特性与功能,指定参与

4、操作的操作数的地址,4.2.1 操作码,操作码是指明指令操作性质的命令码。它提供指令的操作控制信息。例，加法、减法、乘法、取数、存数等。一般来说，一个n位的操作码最多能表示2n条指令。,4.2.2 地址码,三地址指令,二地址指令,单地址指令,零地址指令,1零地址指令,零地址指令中只有操作码而无地址码，其指令格式为：不需操作数的控制型指令，如HALT、WAIT、NOP等。,2.一地址指令（单地址指令）,一地址指令的格式为：A可以是存储器地址，也可是寄存器地址。一地址指令有两种情况 单操作数指令：如INC、DEC、NEG等，只需一个操作数，其功能为：OP(A)A。双操作数指令：另一个操作数通常采用

5、隐含寻址的方法，将操作数隐含在约定的累加器AC中，其指令功能为：(AC)OP(A)AC。一地址指令长度短，指令执行速度快对于字长较短的微、小型机，是一种常用的指令格式。,3二地址指令,二地址指令的格式为：二地址指令功能为：(A1)OP(A2)A1A1、A2可以是存储器地址，也可是寄存器地址。,存储器存储器型（S-S型）指令：A1、A2均为存储器地址的二地址指令。寄存器寄存器型（R-R型）指令：A1、A2均为寄存器地址的二地址指令。R-R型指令执行速度快。寄存器存储器型（R-S型）指令：A1、A2中一个是寄存器地址，另一个是存储器地址的二地址指令。,二地址指令的几种形式,三地址指令格式：三地址指

6、令功能为：(A1)OP(A2)A3A1为被操作数地址，也称源操作数地址；A2为操作数地址，也称终点操作数地址；A3为存放结果的地址。A1、A2、A3可以是存储器地址，也可是寄存器地址。三地址指令编程方便，结果不影响运算操作数。但指令长度较长，一般在字长较长的大、中型机中使用。,4三地址指令,4.2.3指令字长度,指令字长度：一个指令字中包含二进制代码的位数。机器字长：计算机能直接处理的二进制数据的位数，它决定了计算机的运算精度。,其中L为指令字长度，N为机器字长度,4.2.4指令助记符,指令助记符：硬件只能识别1和0，所以须采用二进制操作码，为便于书写和阅读程序，每条指令用3个或4个英文缩写字

7、母来表示。,表4.2典型的指令助记符,例1指令格式如下所示，其中OP为操作码，试分析指令格式的特点。（假设机器字长16位）15 9 7 4 3 0,解：（1）单字长二地址指令。（2）操作码字段OP可以指定27128条指令。（3）源寄存器和目标寄存器都是通用寄存器，所以是 RR型指令，两个操作数均在寄存器中。,例2 指令格式如下所示，试分析指令格式特点。15 10 7 4 3 0,（1）双字长二地址指令，用于访问存储器（2）操作码字段OP为6位，可以指定64种操作（3）一个操作数在源寄存器（共16个），另一个操作数在存储器中（由变址寄存器和位移量决定）,所以是RS指令,4.3 操作数类型,4.3

8、.1 一般的数据类型4.3.2 Pentium数据类型4.3.3 Power PC数据类型,4.3.1 一般的数据类型,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。定点数 浮点数 压缩的十进制数字符数据: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。,4.4 指令和数据的寻址方式,4.4.1 指令的寻址方式4.4.2 操作数寻址方式4.4.3 寻址方式举例,寻址方式：形成指令或操作数地址的方式 寻址方式的类别 指令寻址方式：用于形成指令在内

9、存中的地址 数据(操作数)寻址方式：用于形成操作数在内存中的地址,4.4.1指令的寻址方式,1.顺序寻址方式 PC1PC设置程序计数器（或称指令计数器）PC，每执行一条指令，计数器加1；把计数器内容作为指令的存储地址。2.跳跃寻址方式 当程序转移时，修改PC的内容下条指令的地址，不是计数器给出的，而是当前指令指定的。程序跳跃后，按新的指令地址开始顺序执行，指令计数器的内容相应改变。,指令的顺序寻址方式,指令的跳跃寻址方式(程序的控制转移),play,4.4.2 操作数寻址方式,操作数的寻址：把操作数的形式地址，根据间址和变址等组合变换为操作数有效地址的过程。形式地址：指令中给出的地址。(不一定

10、是实际地址)有效地址：操作数的实际地址。如寄存器编号或存储单元地址。,操作数,操作数寻址方式,常用数据寻址方式,1.隐含寻址：在指令中不明显地给出操作数的地址2.立即寻址：指令的地址字段直接给出操作数本身,DataA,操作码 形式地址,例1：单地址的移位指令格式为,F为标志位，当F1，操作数进行右移；当F0时，操作数进行左移。,D是一个操作数,例2：Intel 8086指令：MOV AX，2000H；将数据2000H存入累加器AX中,play,3.直接寻址,例：Intel 8086指令：MOV AX，2000H 将有效地址为2000H的内存单元的内容读入AX中。,指令字中直接给出操作数在内存的

11、地址。形式地址有效地址,AEA,4间接寻址,间接寻址意味着指令的地址码部分给出的地址A不是操作数的地址，而是存放操作数地址的主存单元的地址，简称操作数地址的地址。,至少需要两次访问主存储器才能取出操作数,EA（A）,5.寄存器寻址,例：Intel 8086指令：MOV AL，BL；ALBL,寄存器寻址方式：操作数放在CPU的通用寄存器中。此时指令中给出的操作数地址是通用寄存器的编号。,6.寄存器间接寻址,寄存器间接寻址方式：指令格式中的寄存器内容不是操作数，而是操作数的地址，该地址指明的操作数在内存中。,例：Intel 8086指令：MOV AL，BX。设 BX2000H，(2000H)80H

12、，则 AL80H,7.偏移寻址,直接寻址和寄存器间接寻址方式的结合；,OP,有两个地址字段：形式地址A，某个专用寄存器。,EA=A+(R),三种偏移寻址是相对寻址、基址寻址、变址寻址。,相对寻址方式,程序计数器PC的内容加上地址字段中A的值形成指令的目的地址,EA（PC）A,采用相对寻址方式，程序员无须用指令的绝对地址编程，所编程序可以放在内存任何地方。,基址寻址,指令的地址码部分给出偏移量D，而基准地址放在基址寄存器Rb中，最后操作数的有效地址为：EA(Rb)D。,A可正可负！,优点：可以扩大寻址能力。基址寄存器的位数可以设置得很长，从而可以在较大的存储空间中寻址。,变址寻址,基准地址A与C

13、PU内某特定的变址寄存器Rx的内容相加，得有效地址：EAA(Rx)。,最典型的应用是将地址A作为基准地址，而将变址寄存器Rx中的内容作为修改量，实现程序块的规律性变化。,8.段寻址方式,段寻址方式的实质还是基址寻址微机中采用，目的是扩大寻址范围。,9.堆栈寻址,堆栈有寄存器堆栈和存储器堆栈两种形式，它们都以先进后出的原理存储数据。数据的存取都与栈顶打交道，需要堆栈指示器（寄存器）。,操作数寻址方式,其中I为间接寻址标志位，X为寻址模式字段，D为偏移量字段。通过I，X，D的组合，可构成下表所示的寻址方式。请写出六种寻址方式的名称。,例3一种二地址RS型指令的结构如下所示：6位 4位 1位2位 1

14、6位,解：（1）直接寻址,（2）相对寻址,（3）变址寻址,（4）寄存器间接寻址,（5）间接寻址,（6）基址寻址,例4 某16位机器所使用的指令格式和寻址方式如下所示，该机有两个20位基址寄存器，四个16位变址寄存器，十六个16位通用寄存器，指令汇编格式中的S（源），D（目标）都是通用寄存器，M是主存中的一个单元。三种指令的操作码分别是MOV（OP）（A）H，STO（OP）（1B）H，LAD（OP）（3C）H。MOV是传送指令，STA为写数指令，LDA为读数指令。,(F0F1)H(3CD2)H(2856)H（6FD6)H（1C2)H,要求：分析三种指令的指令格式与寻址方式特点。CPU完成哪一种操

15、作所花时间最短？哪一种操作所花时间最长？第二种指令的执行时间有时会等于第三种指令的执行时间吗？下列指令字分别代表什么操作？如果有编码不正确，如何改正才能成为合法指令？,解：第一种指令是单字长二地址指令，RR型。寻址方式寄存器寻址。第二种指令是双字长二地址指令，RS型。寻址方式基址寻址或变址寻址。第三种指令是双字长二地址指令，RS型。寻址方式直接寻址。,时间最短,时间最长,与二时间不等，节省有效地址运算时间,（3）双字长，高6位（OP）1111003CH，是LAD指令，编码正确。F0 F 13CD2H，含义是把主存13CD2H地址单元的内容取至15号寄存器。单字长，高6位（OP）001010AH

16、，是MOV指令，编码正确。28 5 6H，含义是把6号源寄存器的内容传送至5号目标寄存器。单字长，是MOV指令，高6位（OP）011011 AH，编码错误。28D6H单字长，是MOV指令，高6位（OP）000000 AH，编码错误。28C2H,MOV S,D,STO S,M,LAD M,D,4.5 典型指令,4.5.1 指令的分类4.5.2 基本指令系统4.5.3 精简指令系统,4.5.1 指令的分类,1.数据传送指令实现主存与寄存器、寄存器与寄存器之间的数据传送，主要包括取数指令、存数指令、传送指令、成组传送指令、字节交换指令、清累加器指令、堆栈操作指令等。2.算术运算指令实现加、减、乘、除

17、等运算的指令，以及求反、求补指令，算术移位指令等。3.逻辑运算指令实现逻辑与、或、非、异或，以及逻辑移位等操作的指令,4.5.1 指令的分类,4.程序控制转移指令条件转移指令。转移条件有，进位、结果0、结果负、结果溢出、结果奇偶等，这些标志存储在状态寄存器中。无条件转移指令、转子程序指令、返主程序指令等。绝对转移、相对转移。5.输入输出指令启动外围设备，检查测试外设的工作状态，并实现外设和CPU之间，或外设与外设之间的信息传送,4.5.1 指令的分类,6.字符串处理指令非数值处理指令，包括字符串的传送、转换、比较、查找、替换等。7.特权指令具有特殊权限的指令，只用于操作系统或其他系统软件，一般

18、不直接提供给用户使用。8.其他指令 状态寄存器置位、复位指令、测试指令、暂停指令，空操作指令，以及其他一些系统控制用的特殊指令。,复杂指令系统计算机 CISC（Complex Instruction Set Computer）,靠增强指令的功能，增加指令系统的复杂程度来提高计算机系统的性能。特点：(1)指令系统复杂庞大，指令数目一般达200300条。(2)指令格式多，指令字长不固定，使用多种寻址方式。(3)可访存指令不受限制。(4)大多数采用微程序控制器。CISC中，通过增强指令系统的功能，简化了软件，增加了硬件的复杂程度。然而指令复杂了，指令的执行时间必然加长，从而使整个系统的执行时间反而增

19、加 20%和80%规律：CISC中大约有20%的指令使用频率高，占据了80%的处理机时间，而有80%的不常用指令只占用处理机的20%时间。,4.5.3 精简指令系统,精简指令集计算机RISC（Reduced Instruction Set Computer）靠精简指令系统，简化指令功能及优化的编译程序来提高计算机系统的性能。特点：选取使用频率最高的一些简单指令，指令条数少；指令长度固定，指令格式种类少；只有取数存数指令访问存储器，其余指令的操作都在寄存器之间进行。RISC采用流水线技术；简单而统一格式的指令译码；大部分指令可以单周期执行；简单的寻址方式。,本章小结,一台计算机中所有机器指令的集

20、合称为该计算机的指令系统。指令系统是表征一台计算机性能的重要因素。指令格式是指令字用二进制代码表示的结构形式，通常由操作码字段和地址码字段组成。操作码字段表征指令的操作特性与功能，而地址码字段指示操作数的地址。目前多采用二地址、单地址、零地址混合方式的指令格式。指令字长度分为：单字长、半字长、双字长三种形式。高档微型机中目前多采用32位长度的单字长形式。形成指令地址的方式，称为指令寻址方式。有顺序寻址和跳跃寻址两种，由指令计数器PC来跟踪。,本章小结,形成操作数地址的方式，称为数据寻址方式。包括隐含寻址、立即寻址、直接寻址、间接寻址、寄存器寻址、寄存器间接寻址、相对寻址、基址寻址、变址寻址、段

21、寻址、堆栈寻址等。堆栈是一种特殊的数据寻址方式，采用“先进后出”原理。按结构不同，分为寄存器堆栈和存储器堆栈。不同机器有不同的指令系统。一个较完善的指令系统应当包含数据传送类指令、算术运算类指令、逻辑运算类指令、程序控制类指令、I/O类指令、字符串类指令、系统控制类指令。RISC指令系统是CISC指令系统的改进，其最大特点是：指令条数少；指令长度固定，指令格式和寻址种类少；只有取数存数指令访问存储器，其余指令均在寄存器之间进行。,某机指令格式如图所示：图中X为寻址特征位，且X=0时，不变址；X=1时，用变址寄存器X1进行变址；X=2时，相对寻址。设（PC）=1234H，（X1）=0037H,请确定下列指令的有效地址。(1)2493H(2)3214H(3)4530H,0011 0010 00010100,X2，相对寻址。有效地址=(PC)D1234H0014H1248H,0093H,0067H,(1)X=0，E=D=93H,