計算機組成原理第4章.ppt

第四章 指令系統(tǒng),4.1 指令系統(tǒng)的發(fā)展與性能要求 4.2 指令格式 4.3 操作數(shù)類型 4.4指令和數(shù)據(jù)的尋址方式 4.5 典型指令,第4章 指令系統(tǒng),4.1 指令系統(tǒng)的發(fā)展和性能要求,4.1.1 指令系統(tǒng)的發(fā)展 4.1.2 對指令系統(tǒng)性能的要求 4.1.3 低級語言與硬件結(jié)構(gòu)的關(guān)系,4.1.1 指令系統(tǒng)的發(fā)展,指令：就是要計算機執(zhí)行某種操作的命令。從計算機組成的層次結(jié)構(gòu)來說，計算機的指令有微指令、機器指令和宏指令之分。 微指令：微程序級的命令，它屬于硬件； 機器指令：簡稱指令，計算機可直接理解并執(zhí)行。 宏指令：由若干條機器指令組成的軟件指令，它屬于軟件； 指令系統(tǒng)：一臺計算機中所有機器指令的集合。,4.1.1 指令系統(tǒng)的發(fā)展,4.1.2 對指令系統(tǒng)性能的要求,完善的計算機的指令系統(tǒng)應(yīng)具備： 1、完備性：完備性要求指令系統(tǒng)豐富、功能齊全、使用方便。 2、有效性：指利用該指令系統(tǒng)所提供的指令編制的程序能夠產(chǎn)生高效率。高效率即占用存儲空間小、執(zhí)行速度快。 3、規(guī)整性：指令系統(tǒng)的對稱性、勻齊性、指令格式與數(shù)據(jù)格式的一致性。 （1）對稱性：在指令系統(tǒng)中，所有寄存器和存儲單元都可同等對待。 （2）勻齊性：是指一種操作性質(zhì)的指令可以支持各種數(shù)據(jù)類型。 （3）指令的格式與數(shù)據(jù)格式的一致性：指令長度與數(shù)據(jù)長度有一定關(guān)系，以方便存取和處理。 4、兼容性：是指計算機的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計基本相同，機器之間具有相同的基本結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)表示和共同的基本指令集合。,4.1.3 低級語言與硬件結(jié)構(gòu)的關(guān)系,計算機語言具有高級語言和低級語言之分。 低級語言 機器語言（二進制語言）、匯編語言（符號語言）； 面向機器編寫，不可移植； 可最大程度挖掘機器功能。 高級語言（算法語言） C、Fortran、Java、Pascal等； 方便描述求解過程，執(zhí)行性能依賴編譯程序； 與指令系統(tǒng)無關(guān)，故可移植。,表4.1 高級語言與低級語言的性能比較,4.2 指令格式,4.2.1 操作碼 4.2.2 地址碼 4.2.3 指令字長度 4.2.4 指令助記符 4.2.5 指令格式舉例,指令格式即指令字用二進制代碼表示的結(jié)構(gòu)形式，由操作碼字段和地址碼字段組成。,表征指令的操作特性與功能,指定參與操作的操作數(shù)的地址,4.2.1 操作碼, 操作碼是指明指令操作性質(zhì)的命令碼。它提供指令的操作控制信息。 例，加法、減法、乘法、取數(shù)、存數(shù)等。 一般來說，一個n位的操作碼最多能表示2n條指令。,4.2.2 地址碼,三地址指令,二地址指令,單地址指令,零地址指令,1零地址指令,零地址指令中只有操作碼而無地址碼，其指令格式為： 不需操作數(shù)的控制型指令，如HALT、WAIT、NOP等。,2. 一地址指令（單地址指令）,一地址指令的格式為： A可以是存儲器地址，也可是寄存器地址。 一地址指令有兩種情況 單操作數(shù)指令：如INC、DEC、NEG等，只需一個操作數(shù)，其功能為：OP(A)A。 雙操作數(shù)指令：另一個操作數(shù)通常采用隱含尋址的方法，將操作數(shù)隱含在約定的累加器AC中，其指令功能為：(AC)OP(A)AC。 一地址指令長度短，指令執(zhí)行速度快對于字長較短的微、小型機，是一種常用的指令格式。,3二地址指令,二地址指令的格式為： 二地址指令功能為： (A1) OP (A2) A1 A1 、A2可以是存儲器地址，也可是寄存器地址。, 存儲器存儲器型（S-S型）指令：A1、A2均為存儲器地址的二地址指令。 寄存器寄存器型（R-R型）指令： A1、A2均為寄存器地址的二地址指令。R-R型指令執(zhí)行速度快。 寄存器存儲器型（R-S型）指令： A1、A2中一個是寄存器地址，另一個是存儲器地址的二地址指令。,二地址指令的幾種形式,三地址指令格式： 三地址指令功能為： (A1) OP (A2) A3 A1為被操作數(shù)地址，也稱源操作數(shù)地址； A2為操作數(shù)地址，也稱終點操作數(shù)地址； A3為存放結(jié)果的地址。 A1 、A2 、A3可以是存儲器地址，也可是寄存器地址。 三地址指令編程方便，結(jié)果不影響運算操作數(shù)。但指令長度較長，一般在字長較長的大、中型機中使用。,4三地址指令,4.2.3 指令字長度,指令字長度：一個指令字中包含二進制代碼的位數(shù)。 機器字長：計算機能直接處理的二進制數(shù)據(jù)的位數(shù)，它決定了計算機的運算精度。,其中L為指令字長度，N為機器字長度,4.2.4 指令助記符,指令助記符：硬件只能識別1和0，所以須采用二進制操作碼，為便于書寫和閱讀程序，每條指令用3個或4個英文縮寫字母來表示。,表4.2 典型的指令助記符,例1 指令格式如下所示，其中OP為操作碼，試分析指令格式的特點。 （假設(shè)機器字長16位） 15 9 7 4 3 0,解：（1）單字長二地址指令。 （2）操作碼字段OP可以指定27128條指令。 （3）源寄存器和目標寄存器都是通用寄存器，所以是 RR型指令，兩個操作數(shù)均在寄存器中。,例2 指令格式如下所示，試分析指令格式特點。 15 10 7 4 3 0,（1）雙字長二地址指令，用于訪問存儲器 （2）操作碼字段OP為6位，可以指定64種操作 （3）一個操作數(shù)在源寄存器（共16個），另一個操作數(shù)在存儲器中（由變址寄存器和位移量決定）,所以是RS指令,4.3 操作數(shù)類型,4.3.1 一般的數(shù)據(jù)類型 4.3.2 Pentium數(shù)據(jù)類型 4.3.3 Power PC數(shù)據(jù)類型,4.3.1 一般的數(shù)據(jù)類型,地址數(shù)據(jù): 地址實際上也是一種形式的數(shù)據(jù)。 數(shù)值數(shù)據(jù): 計算機中普遍使用的三種類型的數(shù)值數(shù)據(jù)。 定點數(shù) 浮點數(shù) 壓縮的十進制數(shù) 字符數(shù)據(jù): 文本數(shù)據(jù)或字符串，目前廣泛使用ASCII碼。 邏輯數(shù)據(jù): 一個單元中有幾位二進制bit項組成，每個bit的值可以是1或0。當數(shù)據(jù)以這種方式看待時，稱為邏輯性數(shù)據(jù)。,4.4 指令和數(shù)據(jù)的尋址方式,4.4.1 指令的尋址方式 4.4.2 操作數(shù)尋址方式 4.4.3 尋址方式舉例, 尋址方式：形成指令或操作數(shù)地址的方式 尋址方式的類別 指令尋址方式：用于形成指令在內(nèi)存中的地址 數(shù)據(jù)(操作數(shù))尋址方式：用于形成操作數(shù)在內(nèi)存中的地址,4.4.1 指令的尋址方式,1.順序?qū)ぶ贩绞?PC1PC 設(shè)置程序計數(shù)器（或稱指令計數(shù)器）PC，每執(zhí)行一條指令，計數(shù)器加1； 把計數(shù)器內(nèi)容作為指令的存儲地址。 2.跳躍尋址方式 當程序轉(zhuǎn)移時，修改PC的內(nèi)容 下條指令的地址，不是計數(shù)器給出的，而是當前指令指定的。 程序跳躍后，按新的指令地址開始順序執(zhí)行，指令計數(shù)器的內(nèi)容相應(yīng)改變。,指令的順序?qū)ぶ贩绞?指令的跳躍尋址方式(程序的控制轉(zhuǎn)移),play,4.4.2 操作數(shù)尋址方式,操作數(shù)的尋址：把操作數(shù)的形式地址，根據(jù)間址和變址等組合變換為操作數(shù)有效地址的過程。 形式地址：指令中給出的地址。(不一定是實際地址) 有效地址：操作數(shù)的實際地址。如寄存器編號或存儲單元地址。,操作數(shù),操作數(shù)尋址方式,常用數(shù)據(jù)尋址方式,1.隱含尋址：在指令中不明顯地給出操作數(shù)的地址 2.立即尋址：指令的地址字段直接給出操作數(shù)本身,DataA,操作碼 形式地址,例1：單地址的移位指令格式為,F為標志位，當F1，操作數(shù)進行右移；當F0時，操作數(shù)進行左移。,D是一個操作數(shù),例2：Intel 8086指令： MOV AX，2000H ；將數(shù)據(jù)2000H存入累加器AX中,play,3.直接尋址,例：Intel 8086指令： MOV AX，2000H 將有效地址為2000H的內(nèi)存單元的內(nèi)容讀入AX中。,指令字中直接給出操作數(shù)在內(nèi)存的地址。形式地址有效地址,AEA,4間接尋址,間接尋址意味著指令的地址碼部分給出的地址A不是操作數(shù)的地址，而是存放操作數(shù)地址的主存單元的地址，簡稱操作數(shù)地址的地址。,至少需要兩次訪問主存儲器才能取出操作數(shù),EA（A）,5.寄存器尋址,例： Intel 8086指令： MOV AL，BL ；ALBL, 寄存器尋址方式：操作數(shù)放在CPU的通用寄存器中。此時指令中給出的操作數(shù)地址是通用寄存器的編號。,6.寄存器間接尋址, 寄存器間接尋址方式：指令格式中的寄存器內(nèi)容不是操作數(shù)，而是操作數(shù)的地址，該地址指明的操作數(shù)在內(nèi)存中。,例：Intel 8086指令： MOV AL，BX 。 設(shè) BX2000H，(2000H)80H，則 AL80H,7.偏移尋址,直接尋址和寄存器間接尋址方式的結(jié)合；,OP,有兩個地址字段：形式地址A，某個專用寄存器。,EA=A+(R),三種偏移尋址是相對尋址、基址尋址、變址尋址。, 相對尋址方式,程序計數(shù)器PC的內(nèi)容加上地址字段中A的值形成指令的目的地址,EA （PC）A,采用相對尋址方式，程序員無須用指令的絕對地址編程，所編程序可以放在內(nèi)存任何地方。, 基址尋址,指令的地址碼部分給出偏移量D，而基準地址放在基址寄存器Rb中，最后操作數(shù)的有效地址為：EA(Rb)D。,A可正可負！,優(yōu)點：可以擴大尋址能力。基址寄存器的位數(shù)可以設(shè)置得很長，從而可以在較大的存儲空間中尋址。, 變址尋址,基準地址A與CPU內(nèi)某特定的變址寄存器Rx的內(nèi)容相加，得有效地址：EAA(Rx)。,最典型的應(yīng)用是將地址A作為基準地址，而將變址寄存器Rx中的內(nèi)容作為修改量，實現(xiàn)程序塊的規(guī)律性變化。 。,8. 段尋址方式,段尋址方式的實質(zhì)還是基址尋址 微機中采用，目的是擴大尋址范圍。,9. 堆棧尋址,堆棧有寄存器堆棧和存儲器堆棧兩種形式，它們都以先進后出的原理存儲數(shù)據(jù)。 數(shù)據(jù)的存取都與棧頂打交道，需要堆棧指示器（寄存器）。,操作數(shù)尋址方式,其中I為間接尋址標志位，X為尋址模式字段，D為偏移量字段。通過I，X，D的組合，可構(gòu)成下表所示的尋址方式。 請寫出六種尋址方式的名稱。,例3 一種二地址RS型指令的結(jié)構(gòu)如下所示： 6位 4位 1位 2位 16位,解：（1）直接尋址,（2）相對尋址,（3）變址尋址,（4）寄存器間接尋址,（5）間接尋址,（6）基址尋址,例4 某16位機器所使用的指令格式和尋址方式如下所示，該機有兩個20位基址寄存器，四個16位變址寄存器，十六個16位通用寄存器，指令匯編格式中的S（源），D（目標）都是通用寄存器，M是主存中的一個單元。三種指令的操作碼分別是MOV（OP）（A）H ，STO（OP）（1B）H ，LAD（OP）（3C）H。MOV是傳送指令，STA為寫數(shù)指令，LDA為讀數(shù)指令。,(F0F1)H (3CD2)H (2856)H （6FD6)H （1C2)H,要求： 分析三種指令的指令格式與尋址方式特點。 CPU完成哪一種操作所花時間最短？哪一種操作所花時間最長？第二種指令的執(zhí)行時間有時會等于第三種指令的執(zhí)行時間嗎？ 下列指令字分別代表什么操作？如果有編碼不正確，如何改正才能成為合法指令？,解：第一種指令是單字長二地址指令，RR型。尋址方式寄存器尋址。 第二種指令是雙字長二地址指令，RS型。尋址方式基址尋址或變址尋址。 第三種指令是雙字長二地址指令，RS型。尋址方式直接尋址。,時間最短,時間最長,與二時間不等，節(jié)省有效地址運算時間,（3） 雙字長，高6位（OP）1111003CH，是LAD指令，編碼正確。 F0 F 13CD2H ，含義是把主存13CD2H地址單元的內(nèi)容取至15號寄存器。 單字長，高6位（OP）001010AH，是MOV指令，編碼正確。 28 5 6H ，含義是把6號源寄存器的內(nèi)容傳送至5號目標寄存器。 單字長，是MOV指令，高6位（OP）011011 AH，編碼錯誤。 28D6H 單字長，是MOV指令，高6位（OP）000000 AH，編碼錯誤。 28C2H,MOV S,D,STO S,M,LAD M,D,4.5 典型指令,4.5.1 指令的分類 4.5.2 基本指令系統(tǒng) 4.5.3 精簡指令系統(tǒng),4.5.1 指令的分類,1.數(shù)據(jù)傳送指令 實現(xiàn)主存與寄存器、寄存器與寄存器之間的數(shù)據(jù)傳送，主要包括取數(shù)指令、存數(shù)指令、傳送指令、成組傳送指令、字節(jié)交換指令、清累加器指令、堆棧操作指令等。 2.算術(shù)運算指令 實現(xiàn)加、減、乘、除等運算的指令，以及求反、求補指令，算術(shù)移位指令等。 3.邏輯運算指令 實現(xiàn)邏輯與、或、非、異或，以及邏輯移位等操作的指令,4.5.1 指令的分類,4.程序控制轉(zhuǎn)移指令 條件轉(zhuǎn)移指令。轉(zhuǎn)移條件有，進位、結(jié)果0、結(jié)果負、結(jié)果溢出、結(jié)果奇偶等，這些標志存儲在狀態(tài)寄存器中。 無條件轉(zhuǎn)移指令、轉(zhuǎn)子程序指令、返主程序指令等。 絕對轉(zhuǎn)移、相對轉(zhuǎn)移。 5.輸入輸出指令 啟動外圍設(shè)備，檢查測試外設(shè)的工作狀態(tài)，并實現(xiàn)外設(shè)和CPU之間，或外設(shè)與外設(shè)之間的信息傳送,4.5.1 指令的分類,6.字符串處理指令 非數(shù)值處理指令，包括字符串的傳送、轉(zhuǎn)換、比較、查找、替換等。 7.特權(quán)指令 具有特殊權(quán)限的指令，只用于操作系統(tǒng)或其他系統(tǒng)軟件，一般不直接提供給用戶使用。 8.其他指令 狀態(tài)寄存器置位、復(fù)位指令、測試指令、暫停指令，空操作指令，以及其他一些系統(tǒng)控制用的特殊指令。,復(fù)雜指令系統(tǒng)計算機 CISC （Complex Instruction Set Computer）,靠增強指令的功能，增加指令系統(tǒng)的復(fù)雜程度來提高計算機系統(tǒng)的性能。 特點： (1)指令系統(tǒng)復(fù)雜龐大，指令數(shù)目一般達200300條。 (2)指令格式多，指令字長不固定，使用多種尋址方式。 (3) 可訪存指令不受限制。 (4) 大多數(shù)采用微程序控制器。 CISC中，通過增強指令系統(tǒng)的功能，簡化了軟件，增加了硬件的復(fù)雜程度。然而指令復(fù)雜了，指令的執(zhí)行時間必然加長，從而使整個系統(tǒng)的執(zhí)行時間反而增加 20%和80%規(guī)律：CISC中大約有20%的指令使用頻率高，占據(jù)了80%的處理機時間，而有80%的不常用指令只占用處理機的20%時間。,4.5.3 精簡指令系統(tǒng),精簡指令集計算機RISC（Reduced Instruction Set Computer）靠精簡指令系統(tǒng)，簡化指令功能及優(yōu)化的編譯程序來提高計算機系統(tǒng)的性能。 特點： 選取使用頻率最高的一些簡單指令，指令條數(shù)少； 指令長度固定，指令格式種類少； 只有取數(shù)存數(shù)指令訪問存儲器，其余指令的操作都在寄存器之間進行。 RISC采用流水線技術(shù)；簡單而統(tǒng)一格式的指令譯碼；大部分指令可以單周期執(zhí)行；簡單的尋址方式 。, 本章小結(jié),一臺計算機中所有機器指令的集合稱為該計算機的指令系統(tǒng)。指令系統(tǒng)是表征一臺計算機性能的重要因素。 指令格式是指令字用二進制代碼表示的結(jié)構(gòu)形式，通常由操作碼字段和地址碼字段組成。操作碼字段表征指令的操作特性與功能，而地址碼字段指示操作數(shù)的地址。 目前多采用二地址、單地址、零地址混合方式的指令格式。指令字長度分為：單字長、半字長、雙字長三種形式。高檔微型機中目前多采用32位長度的單字長形式。 形成指令地址的方式，稱為指令尋址方式。有順序?qū)ぶ泛吞S尋址兩種，由指令計數(shù)器PC來跟蹤。, 本章小結(jié),形成操作數(shù)地址的方式，稱為數(shù)據(jù)尋址方式。包括隱含尋址、立即尋址、直接尋址、間接尋址、寄存器尋址、寄存器間接尋址、相對尋址、基址尋址、變址尋址、段尋址、堆棧尋址等。 堆棧是一種特殊的數(shù)據(jù)尋址方式，采用“先進后出”原理。按結(jié)構(gòu)不同，分為寄存器堆棧和存儲器堆棧。 不同機器有不同的指令系統(tǒng)。一個較完善的指令系統(tǒng)應(yīng)當包含數(shù)據(jù)傳送類指令、算術(shù)運算類指令、邏輯運算類指令、程序控制類指令、I/O類指令、字符串類指令、系統(tǒng)控制類指令。 RISC指令系統(tǒng)是CISC指令系統(tǒng)的改進，其最大特點是：指令條數(shù)少；指令長度固定，指令格式和尋址種類少；只有取數(shù)存數(shù)指令訪問存儲器，其余指令均在寄存器之間進行。,某機指令格式如圖所示： 圖中X為尋址特征位，且X=0時，不變址；X=1時，用變址寄存器X1進行變址；X=2時，相對尋址。設(shè)（PC）=1234H，（X1）=0037H, 請確定下列指令的有效地址。 (1)2493H (2)3214H (3) 4530H,0011 0010 00010100,X2，相對尋址。有效地址=(PC)D1234H0014H1248H,0093H,0067H,(1) X=0，E=D=93H,