计算机组成原理第四版第四章.ppt
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1、第四章 指令系统4.1 指令系统的发展指令系统的发展与性能要求 4.2 指令格式指令格式4.3 寻址方式寻址方式4.4 典型指令典型指令BackBack.4.1 指令系统的发展指令系统的发展与性能要求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。NEXTNEXT.4.1 指令系统的发展指令系统的发展与性能要求2 2、指令系统基本概念、指令系统基本概念指令:指令:就是要计算机执行某种操作的命令。从计算机组成就是要计算机执
2、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;指令之分。微指令是微程序级的命令,它属于硬件;宏指令:宏指令:由若干条机器指令组成的软件指令,它属于软件;由若干条机器指令组成的软件指令,它属于软件;机器指令:机器指令:介于微指令与宏指令之间,通常简称为指令,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。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。本章所讨论的指令,是机器指令。NEXTNEX
3、T.指令系统: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系列机:4.1 指令系统的发展指令系统的发展与性能要求NEXTNEXT.3 3、发展情况、发展情况(1 1)2020世纪世纪5050年代:年代:(2 2)60 60年代后期:年代后期:(3 3)7070年代末期:年代末期:复杂指令系统计算机:复杂指令系统计算机:简称简称CISCCISC。但是如此庞大的指令系。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,不易统不但使计算机的研
4、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。而造成硬件资源浪费。精简指令系统计算机:精简指令系统计算机:简称简称RISCRISC,人们又提出了便于,人们又提出了便于VLSIVLSI技术实现的精简指令系统计算机。技术实现的精简指令系统计算机。4.1 指令系统的发展指令系统的发展与性能要求NEXTNEXT.4.1 指令系统的发展与性能要求5 5、对指令系统的性能要求、对指令系统的性能要求 完备性: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,完备性是指用汇编语言
5、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。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。程序来实现。采用硬件指令的目的是提高程序执行速度,便
6、于用户编写程序。有效性: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。统,必定有更好的有效性。规整性:规整性:规整性包括指令系统的对称性、匀齐性、指令格式和数据格式的一致性。对称规整性包括指令系统的对称性、匀齐性、指令格式和数据格式的一致性。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,所有的指令都可性是指:在指令系
7、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,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。以方便处理和存取。例如指令长度和数据长度通常
8、是字节长度的整数倍。兼容性: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“向上兼容向上兼容”,即低,即低档机上运行的软件可以在高档机上运行。档机上运行的软件可以在高档机上运行。返回返回.堆栈寻址堆栈寻址寄存器堆栈(硬堆栈)存储器堆栈(软堆栈
9、)返回返回.4.2 指令格式指令格式指令指令指令指令:表示一条指令的机器字,称为指:表示一条指令的机器字,称为指:表示一条指令的机器字,称为指:表示一条指令的机器字,称为指令字,简称指令。令字,简称指令。令字,简称指令。令字,简称指令。指令格式指令格式指令格式指令格式:是指令字用二进制代码表示:是指令字用二进制代码表示:是指令字用二进制代码表示:是指令字用二进制代码表示的结构形式,通常由操作码和地址码组的结构形式,通常由操作码和地址码组的结构形式,通常由操作码和地址码组的结构形式,通常由操作码和地址码组成。成。成。成。操作码操作码 地址码地址码返回返回NEXT.操作码字段操作码字段操作码字段操
10、作码字段表征指令的操作特性与功能,它表征指令的操作特性与功能,它表征指令的操作特性与功能,它表征指令的操作特性与功能,它 的位数一般取决于计算机指令系统的规模。的位数一般取决于计算机指令系统的规模。的位数一般取决于计算机指令系统的规模。的位数一般取决于计算机指令系统的规模。地址码字段地址码字段地址码字段地址码字段是指定参与操作的操作数地址,是指定参与操作的操作数地址,是指定参与操作的操作数地址,是指定参与操作的操作数地址,根据一条指令中有几个操作数地址可将该指根据一条指令中有几个操作数地址可将该指根据一条指令中有几个操作数地址可将该指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
11、地址指令。令称为几操作数指令或几地址指令。令称为几操作数指令或几地址指令。令称为几操作数指令或几地址指令。返回返回.4.2.3指令字长度指令字长度:一个指令字包含二进制代码的位数。指令字长度:一个指令字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。机器字长:计算机能直接处理的二进制数据的位数。单字长指令单字长指令半字长指令半字长指令双字长指令双字长指令多字长指令的优缺点:多字长指令的优缺点:优点优点优点优点提供足够的地址位来解决访问提供足够的地址位来解决访问内存任何单元的寻址问题;内存任何单元的寻址问题;缺点缺点缺点缺点必须两次或多次访问内存必须两次或多次访问内存以取出一
12、整条指令,降低了以取出一整条指令,降低了CPUCPU的运算速度,又占用了更的运算速度,又占用了更多的存储空间。多的存储空间。等长指令字结构:等长指令字结构:指令系统中指令采用等长指令的优点:指令系统中指令采用等长指令的优点:各种指令字长度是相等的,指令字结构简单,且指令字长各种指令字长度是相等的,指令字结构简单,且指令字长度是不变的;度是不变的;变长指令字结构:变长指令字结构:采用非等长指令的的优点:各种指令字采用非等长指令的的优点:各种指令字长度随指令功能而异,结构灵活,能充分利用指令长度,长度随指令功能而异,结构灵活,能充分利用指令长度,但指令的控制较复杂。但指令的控制较复杂。返回返回.地
13、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。返回返回.指令格式指令格式指令操作码的扩展方法:指令操作码的扩展方法:指令操作码的扩展方法:指令操作码的扩展方法:指令操作码通常有两种编码格式指令操作码通常有两种编码格式指令操作码通常有两种编码格式指令操作码通常有两种编码格式固定格式固定格式固定格式固定格式:操作码的长度固定,且集中放操作码的长度固定,且集中放操作码的长度固定,且集中放操作码的长度固定,且集中放在指令字一个字段中。在指令字一个字段中。在指令字一个字段中。在指令字一个字段中。可变格式可变格式可变格式可变格式:操作码的长度可变,且分散的操作码的长度可变,
14、且分散的操作码的长度可变,且分散的操作码的长度可变,且分散的放在指令字的不同字段中。放在指令字的不同字段中。放在指令字的不同字段中。放在指令字的不同字段中。返回返回.扩展举例扩展举例扩展举例扩展举例 :设某机器的指令长度为设某机器的指令长度为设某机器的指令长度为设某机器的指令长度为1616位,有位,有位,有位,有4 4位基本操位基本操位基本操位基本操作码字段和两个作码字段和两个作码字段和两个作码字段和两个6 6位地址码字段,其格式如下:位地址码字段,其格式如下:位地址码字段,其格式如下:位地址码字段,其格式如下:15 12 11 6 5 15 12 11 6 5 0 0扩展方法:扩展方法:扩展
15、方法:扩展方法:1.1.二地址指令仅有二地址指令仅有二地址指令仅有二地址指令仅有1515条,由条,由条,由条,由4 4位基本操作码的位基本操作码的位基本操作码的位基本操作码的0000 0000 11101110组合给出,余下的组合组合给出,余下的组合组合给出,余下的组合组合给出,余下的组合11111111用于把操作码扩展到用于把操作码扩展到用于把操作码扩展到用于把操作码扩展到A1A1,即从,即从,即从,即从4 4位扩展到位扩展到位扩展到位扩展到1010位。位。位。位。2.2.单地址指令由操作码单地址指令由操作码单地址指令由操作码单地址指令由操作码1111000000 1111111110111
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