计算机组成原理-指令系统.ppt

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1、College of Computer Science&Technology,指 令 系 统,鲁东大学 LUDONG UNIVERSITY,指 令 系 统,操作和操作数类型,机器指令的概念,指令的一般格式,寻址方式,鲁东大学 LUDONG UNIVERSITY,指 令 系 统,1.机器指令,什么是机器指令？,什么是指令系统？,能够被机器直接理解并执行的语言-机器语言,机器语言的语句-机器指令,机器能够理解的全部机器指令的集合称为该机器的指令系统,指令系统-软/硬件界面 反映机器的功能 不同CPU有所不同,鲁东大学 LUDONG UNIVERSITY,指 令 系 统,2.指令的一般格式,机器指令

2、,操作码字段,地址码字段,操作码,作用：用于指明操作的类型；,指令必须有操作码字段,该字段长度的意义：决定了指令系统能够容纳的指令条数,字段长度规定：,定长操作码指令系统,变长操作码指令系统,鲁东大学 LUDONG UNIVERSITY,指令格式-操作码字段,操作码字段固定长度为n位,则：该指令系统最多可容纳2n条指令,特点：(优)操作码译码简单,定长操作码指令系统,(缺)随着地址码增加，指令长度增加,鲁东大学 LUDONG UNIVERSITY,指令格式-操作码字段,变长操作码指令系统-随着地址码长度的变化，操作码长度变化,三地址指令格式,三地址指令15条,二地址指令格式,二地址指令15条,

3、1111,一地址指令格式,一地址指令15条,零地址指令格式,零地址指令16条,操作码随地址码的减少而增加,常用技术：操作码扩展技术,-特点：与定长刚好相反,鲁东大学 LUDONG UNIVERSITY,操作码扩展技术,EX1:计算机字长16bit,设有单地址指令和双地址指令两类，若每个地址码字段为6位且双地址指令有X条，问单地址指令最多有多少条？,典型操作码扩展题目,画出所有的指令格式,二地址指令,一地址指令,思考方向：地址码多地址码少 操作码扩展方向,分析操作码使用情况,共有24，使用X,剩余24-X用于扩展,前4位有24-X种,后6位有26,故：全部使用有(24-X)26,鲁东大学 LUD

4、ONG UNIVERSITY,操作码扩展技术,EX2:假设指令字长16位，操作数的地址码为6位，指令有零地址、一地址、二地址三种格式。要求：(1)设操作码固定，若零地址有P种，一地址指令有Q种，则二地址最多有多少种？(2)采用操作码扩展技术，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多少种？,对定长操作码指令格式，应满足最长地址码要求故：指令格式为,OP 4bit,指令系统能容纳最多24条指令,二地址指令最多有24-P-Q种,二地址指令格式：,一地址指令格式：,零地址指令格式：,扩展6bit,扩展6bit,X种,Y种,剩余24-X,设为Z,剩余(24-X)26-Z,(24-X)2

5、6-Z)26=Y,Z=(24-X)26-Y 2-6,强调:操作码扩展技术思考方向必须是操作码增长方向,鲁东大学 LUDONG UNIVERSITY,操作码扩展技术,EX2.机器指令长度为16位，地址码长度为6位，包含单地址指令，双地址指令和无地址指令，试问单地址指令最多有多少条？此时双地址指令和无地址指令各多少条？,二地址指令,一地址指令,画出所有的指令格式,零地址指令,分析操作码使用情况,单地址指令最多的情况二地址指令最少为1条用于零地址指令扩展的编码最少为1个,此时最多为1条剩余编码24-1,设为X条，则剩余编码(24-1)26-X=1,此时最多为126条,鲁东大学 LUDONG UNIV

6、ERSITY,指令格式-地址码字段,地址码,2.指令的一般格式,作用：用于指明操作数的地址；,分析指令地址码类型,四地址指令,三地址指令,二地址指令,一地址指令,OP,A1,A2,A3,A4,A1:源操作数1的地址,A2:源操作数2的地址,A3:目的操作数的地址,执行操作：(A1)op(A2)(A3),A4？,-下一条指令的地址,在执行操作后，则通过(A4)PC指向下一条指令,程序顺序执行，PC+1PC,A4字段可以去掉,结果可以存放在其中一个源地址中,源2和目的可以使用一地址，A3省去,A2:源2/目的操作数地址,执行操作：(A1)op(A2)(A2),如果其中一个源操作数隐含地址,则可继续

7、减少地址码A2,零地址指令,或者另一个操作数隐含存放 如存放在ACC中,执行操作：(A1)op(ACC)ACC或者(A1),只需要1个操作数,执行操作：op(A1)(A1),指令不需要操作数,如：NOP HLT,或者操作数隐含,如：CBW,CWD,鲁东大学 LUDONG UNIVERSITY,指令格式-指令字长,指令字长,-指令的长度,=操作码长度+地址码1长度+地址码2长度+地址码n长度,机器字长,-CPU能够一次完成的最大运算位数,=ALU寄存器的长度,存储字长,-访存一次，能够取出的最多数据位数,=数据总线的根数,指令字长=存储字长：访存一次，即可取出一条指令,指令字长通常 n Byte

8、，访存最小单位为Byte,鲁东大学 LUDONG UNIVERSITY,指令的操作数类型,3.操作数和操作的类型,I.操作数的类型,-地址、数字、字符、逻辑数据,II.数据在内存中的存放方式,字长 机器字长,机器可处理的数据字长 字节、半字(16b)、字(32b)、双字(64b),不同机器字的长度可能有所不同,存储字长 数据总线的位数,各种长度的数据在存储器中存放规则边界对准原则,若 存储的数据长度为N byte 则 该数据应存放起始地址应为N的倍数,同一数据中字节存放次序大端对齐/小端对齐,鲁东大学 LUDONG UNIVERSITY,指令的操作类型,III.操作类型,(1)数据传送,(2)

9、算术逻辑操作,(3)移位操作,(4)控制转移,(5)输入输出,8086:MOV、XCHG、PUSH、POP、STC、CLC,8086:算术-ADD、ADC、SUB、SBB、INC、DEC、MUL、DIV,逻辑-AND、OR、XOR、NOT,8086:SAL、SAH、SHL、SHR、ROL、ROR、RCL、RCR,8086:JMP、J条件、CALL、RET、INT n、IRET,8086:IN、OUT,(6)其他,8086:NOP、HLT、WAIT,鲁东大学 LUDONG UNIVERSITY,边界对准原则,EX:存储字长32位，按字节编址,访存一次，最多可取出图示一行=存储字的4个字节,边界对

10、准：,字节 可存放在任意位置,字（32b）,取数访存次数均为1次,半字（16b）,半字=2B 应以2的倍数作起始地址,即xxxx0,半字1st,半字2nd,双字（64b）,字=4B 应以4的倍数作起始地址,即xxxx00,字=8B 应以8的倍数作起始地址,即xxxx000,字4th,双字8th,最多2次,1次,2次,1次,3次,2次,可有效减少访存次数,鲁东大学 LUDONG UNIVERSITY,大端对齐/小端对齐,大端对齐,字1stB,字2ndB,字3rdB,字4thB,高字节存放在低地址,起始地址=最高字节地址,小端对齐,字4thB,字3rdB,字2ndB,字1stB,高字节存放在高地址

11、,起始地址=最低字节地址,（常用）,鲁东大学 LUDONG UNIVERSITY,寻址方式,4.寻址方式,-确定操作数或者下一条指令地址的方法,I.指令寻址方式,(1)顺序寻址,(2)跳跃寻址,II.数据寻址方式,OP,地址码,寻址特征位,形式地址A,形式地址A：指令中给出的地址,有效地址EA：操作数的真实地址,寻址特征位：指明操作数采用的寻址方式,EA由形式地址A根据寻址方式采用不同的方式确定,鲁东大学 LUDONG UNIVERSITY,数据寻址方式,II.数据寻址方式,(1)立即寻址,(2)寄存器寻址,(4)直接寻址,(3)隐含寻址,(5)间接寻址,(7)基址寻址,(8)变址寻址,(6)

12、寄存器间接寻址,(9)相对寻址,非访存寻址方式,访存寻址方式,控制转移寻址方式,访存次数,寻址空间,有效地址EA计算方法,鲁东大学 LUDONG UNIVERSITY,数据寻址方式,(1)立即数寻址方式,-操作数直接存放在指令中,形式地址A即为操作数,优点：指令执行时，不需要访存取操作数,限制：形式地址字段的长度限制了操作数的范围,操作数通常为补码形式,EX:形式地址字段长度为N bit，则采用立即数寻址方式 操作数的范围限制在-2N-12N-1-1之间,鲁东大学 LUDONG UNIVERSITY,数据寻址方式,(2)寄存器寻址方式-操作数存放在寄存器中，指令中给出寄存器号,操作数,有效地址

13、 EA=Ri,指令执行阶段 取操作数 不需要访存,优点：取数不需访存，速度快,寄存器个数有限，Ri字段短 有效缩短指令字长,鲁东大学 LUDONG UNIVERSITY,数据寻址方式,(3)隐含寻址方式-指令中不给出操作数地址 操作数隐含存放在某个特殊寄存器中，如累加器ACC,ACC,操作数1采用寄存器寻址方式,操作数2采用隐含寻址方式,有效地址 EA=隐含寄存器号 常用ACC,指令执行阶段 取操作数 不需要访存,优点：减少一个地址码，缩短指令字长,鲁东大学 LUDONG UNIVERSITY,数据寻址方式,(4)直接寻址方式-指令中直接给出操作数的有效地址,操作数,有效地址 EA=A,指令执

14、行阶段，取操作数，访存1次,操作数寻址空间：设A为 N 位，则直接寻址寻址空间为 2N 地址单元,优点：寻址过程简单,缺点：修改操作数地址需要修改指令；访存范围受限,鲁东大学 LUDONG UNIVERSITY,数据寻址方式,(5)间址寻址方式-指令中给出存放操作数地址的存储单元的有效地址,EA,操作数,EA,一次间址,有效地址 EA=(A),指令执行阶段，为取操作数，需访存2次,操作数寻址空间：寻址空间取决于EA的长度 若A长 N 位，主存字长 L 位 一次间址寻址空间：2L 直接寻址空间：2N N L,所以间址能够扩大访存范围,鲁东大学 LUDONG UNIVERSITY,A2,数据寻址方

15、式,A1,操作数,EA,多次间址,A2,EA,A1,需要使用1位标志位指明当前是否为EA,EA的长度减少1位 若主存字长为L 则多次间址寻址空间 2L-1,多次间址和相对寻址结合 可用于扩大寻址空间,鲁东大学 LUDONG UNIVERSITY,数据寻址方式,间址的应用,为间址A并非返回地址（A）是返回地址,(A)=80,(A)=221,间址-修改操作对象时，不需要修改指令,便于编程,增加访存次数，速度慢,鲁东大学 LUDONG UNIVERSITY,数据寻址方式,(6)寄存器间接寻址-指令中给出存放操作数有效地址的寄存器的编号,操作数,注意与寄存器寻址区别,EA,操作数,有效地址 EA=(R

16、i),指令执行阶段，取操作数，访存1次,操作数寻址空间：由存放EA的寄存器长度决定 设Ri为 m 位，则直接寻址寻址空间为 2m 地址单元,优点：具有间址的优点，但比间址访存次数少一次,鲁东大学 LUDONG UNIVERSITY,数据寻址方式,(7)基址寻址-操作数的有效地址由基址寄存器内容与偏移量相加得到,有效地址 EA=(BR)+A,操作数,EA,BR,BR基址寄存器可以为专用寄存器，也可以指定通用寄存器,形式地址A给出的是偏移量,特点：扩大访存空间，用于多道程序管理 基址内容由管理员/操作系统指定，执行过程中不变,基址寻址空间由偏移地址A的长度和基址寄存器共同决定 若A为N位，基址寄存

17、器长L位，则基址寻址空间为2L+2N,鲁东大学 LUDONG UNIVERSITY,A,数据寻址方式,操作数,EA,Ri,指定通用寄存器Ri作基址寄存器,Ri,基址,采用通用寄存器作基址寄存器，需要增加寄存器号字段指明采用的寄存器,鲁东大学 LUDONG UNIVERSITY,数据寻址方式,(8)变址寻址-与基址寻址相似-有效地址为变址寄存器内容与偏移量之和,有效地址 EA=(IX)+A,变址寄存器，可以为专用，或者指定通用寄存器,操作数,BR,EA,IX,与基址寻址方式不同，变址寻址用户修改的是IX，偏移量不变,与基址寻址应用不同，基址用于多道程序，变址用于处理数组,与基址寻址空间不同，变址

18、改变IX，故寻址空间由IX长度决定,鲁东大学 LUDONG UNIVERSITY,数据寻址方式,;变址用于数组处理示例 LDA#0;累加器ACC赋初值0 LDX#0;变址寄存器IX赋初值0 M:ADD X,D;ACC+IX+DACC INX;IX增1 CPX#N;比较IX和N的大小关系 BNE M;若IX小于N,则跳转M，循环 DIV#N;否则，跳出循环，ACCNACC STA ANS;将ACCANS,ANS为主存变量名,D指向数组首地址IX为下标,通过改变IX，遍历数组,鲁东大学 LUDONG UNIVERSITY,数据寻址方式,(9)相对寻址-有效地址，相对于当前程序计数器PC的内容，加上

19、偏移量,有效地址 EA=(PC)+A,常用于跳转指令，相对于当前PC值跳转，故与绝对位置无关,A为补码形式，故可寻址(PC)-2n-1(PC)+2n-1-1,JMP*3,PC,EA,执行指令时已完成PC+1,PC=1001,EA=1004,JMP*-3,PC=1005,EA=1002,鲁东大学 LUDONG UNIVERSITY,数据寻址方式,EX:设相对寻址的转移指令占3个字节，第一字节为操作码，第二、三字节为相对位移量，且数据存放采用低字节存放在低地址的方式。每当CPU从存储器取指令时，每取出一个字节，自动完成PC+1PC。若PC当前值为240，要求转移到290，则转移指令的二、三字节机器

20、码为多少？若PC当前值为240，要求转移到200，则转移指令的二、三字节机器码为多少？,指令为3B，所以当前PC值为指令地址+3,(1)偏移量=目的地址-当前PC值=290(240+3)=47,(2)偏移量=目的地址-当前PC值=200(240+3)=-43,偏移量为补码编码方式,(47)10补=00 2FH,(-43)10补=FF D5H,鲁东大学 LUDONG UNIVERSITY,数据寻址方式,立即寻址,寄存器寻址,隐含寻址,直接寻址,间接寻址,寄存器间接寻址,基址寻址,变址寻址,相对寻址,设 形式地址A长 N 位，存储字长=寄存器长度为 L 位,不需访存,1次,一次间址2次,1次,1次

21、,1次,非跳转指令1次,EA=Ri,EA=A,EA=(A),EA=(Ri),EA=(BR)+A,EA=(IX)+A,EA=(PC)+A,2N,2L,2L,2L+2N,2L,2N,鲁东大学 LUDONG UNIVERSITY,数据寻址方式,P335 7.16 某机主存容量4M16b,存储字长=指令字长，若该机指令系统可完成108种操作，操作码位数固定，且具有直接、间接、变址、基址、相对、立即等六种寻址方式。画出一地址指令格式并指出各字段的作用；该指令直接寻址的最大范围一次间接寻址的寻址范围立即数的范围相对寻址的位移量上述六种寻址方式的指令中哪一种执行时间最短？哪一种最长？为什么？哪一种便于程序浮

22、动？哪一种适合处理数组,鲁东大学 LUDONG UNIVERSITY,指令格式设计,指令格式考虑因素,指令字长,操作码字段,指令长度定长,指令长度可变,操作码字段定长,操作码扩展技术,-指令条数与操作码字段长度关系,地址码字段,地址码个数,地址码长度,-寻址方式和寻址范围,鲁东大学 LUDONG UNIVERSITY,指令格式设计举例,某机字长16位，存储器直接寻址空间为128字，变址时的位移量为-64+63，16个通用寄存器可作为变址寄存器。设计一套指令系统格式，满足以下寻址类型的要求。(1)直接寻址的二地址指令3条(2)变址寻址的一地址指令6条(3)寄存器寻址的二地址指令8条(4)直接寻址

23、的一地址指令12条(5)零地址指令32条试问还有多少种代码未用，若安排寄存器寻址的一地址指令，还能容纳多少条？,固定指令字长使用操作码扩展技术+寻址方式确定地址码,鲁东大学 LUDONG UNIVERSITY,指令格式设计举例,固定指令字长使用操作码扩展技术+寻址方式确定地址码,画出指令格式,(1)直接寻址二地址,直接寻址空间为128字,直接寻址地址码长7位,(2)变址寻址一地址,变址寄存器需要指定,变址寻址需要4b寄存器号,变址寄存器偏移量-6463,变址寻址偏移量字段7位,(3)寄存器寻址二地址,寄存器号4b,鲁东大学 LUDONG UNIVERSITY,(4)直接寻址一地址,(1)直接寻

24、址二地址,(2)变址寻址一地址,(3)寄存器寻址二地址,(5)零地址,3条,剩余22-1=1,6条,剩余23-6=2,8条,剩余2*23-8=8,12条,剩余8*2-12=4,32条,剩余4*27-32=480,(6)零地址,(5)寄存器寻址一地址,X条,剩余4*23-X,32条,(4*23-X)*24=32,X=30条,鲁东大学 LUDONG UNIVERSITY,RISC与CISC简介,CISC-Complex Instruction Set ComputerRISC-Reduced Instruction Set Computer,CISC-思想：强化指令功能，强调指令系统的兼容性,造成

25、以下问题：,指令条数多，指令集膨胀,指令形式各异，长短不一，指令格式复杂 难以使用流水线技术,硬件不易构造，采用微程序CU，速度慢,RISC技术的提出,80%程序是使用的指令仅为指令集中常用的20%,剩余的80%复杂指令均可通过20%简单指令的组合实现,指令集中各指令的使用频度相差大，执行时间相差大,P=I C TI:程序包含的机器指令数C:指令所需的平均机器周期数T:每个机器周期的执行时钟周期数,鲁东大学 LUDONG UNIVERSITY,RISC技术简介,RISC机的主要特点：保留使用频率较高的一些简单指令，而复杂指令的功能由简单指令来组合指令 长度固定只有 LOAD/STORE 指令访存流水技术 一个时钟周期内完成一条指令组合逻辑 实现控制器多个 通用 寄存器 采用 优化 的 编译 程序,RISC技术主要是通过利用流水线技术，减少单条指令的执行时间，来提高系统的执行速度。,