第四章-指令系统PPT课件.ppt
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1、第四章第四章指令系统指令系统4.1指令系统的发展与性能要求指令系统的发展与性能要求4.2指令格式指令格式4.3操作数类型操作数类型4.4指令和数据的寻址方式指令和数据的寻址方式4.5典型指令典型指令返回1.4.1指令系统的发展与性能要求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、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)是软件和硬件分界面的一个主要标志l硬件设计人员采用各种手段实现它;硬件设计人员采用各种手段实现它;l软件设计人员则利用它编制各种各样的系统软件和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应用软件(2)是硬件设计人员和软件设计人员之间的分
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。界面,也是他们之间沟通的桥梁。2.4.1指令系统的发展与性能要求指令系统的发展与性能要求2、指令系统基本概念、指令系统基本概念l指令:就是要计算机执行某种操作的命令。指令:就是要计算机执行某种操作的命令。l微指令是微程序级的命令,它属于硬件;微指令是微程序级的命令,它属于硬件;l宏指令:由若干条机器指令组成的软件指令,它属于软件;宏指令:由若干条机器指令组成的软件指令,它属于软件;l机器指令:介于微指令与宏指令之间,通常简称为指令,每一机器指令: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
3、算操作。条指令可完成一个独立的算术运算或逻辑运算操作。l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。l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。统。l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,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影响到机器的适用范围3.4.1指令系统的发展与性能要求指令系统的发展与性能要求3、发展情况、发展情况l复杂指令系统计算机,简
4、称复杂指令系统计算机,简称CISC。但是如。但是如此庞大的指令系统不但使计算机的研制周期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,不易调试维护,而变长,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。l精简指令系统计算机:简称精简指令系统计算机:简称RISC,人们又,人们又提出了便于提出了便于VLSI技术实现的精简指令系统计技术实现的精简指令系统计算机。算机。4.4.1指令系统的发展与性能要求指令系统的发展与性能要求4、为什么会出现为什么会出现CISC到到RISC的转变的转变l
5、2/8规则规则l控制器设计难度下降控制器设计难度下降5.4.1指令系统的发展与性能要求指令系统的发展与性能要求5、对指令系统的要求、对指令系统的要求l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,而不必用软件来实现。完备性要求指令系统丰富、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。功能齐全、使用方便。l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。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。高效率主要表现在程序占据存储空间小、执行速度
6、快。高效率主要表现在程序占据存储空间小、执行速度快。l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。对称性是指:在指令系统中所有的寄存器和存储器单元式的一致性。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,所有的指令都可使用各种寻址方式;匀齐性是指:一都可同等对待,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,如算术运算指令可支持字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、双精度浮点数运算等;节、
7、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。整数倍。l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,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,因而指令系统是兼容的,即各机种上基本软件可以通用。但由于不同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,在结构和性能上有差异
8、,做到所有软件都完全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,只能做到兼容是不可能的,只能做到“向上兼容向上兼容”,即低档机上运行的软件可以,即低档机上运行的软件可以在高档机上运行。在高档机上运行。6.4.1指令系统的发展与性能要求指令系统的发展与性能要求6、低级语言与高级语言的比较、低级语言与高级语言的比较比较内容高级语言低级语言1对程序员的训练要求(1)通用算法(2)语言规则(3)硬件知识有较少不要有较多要2对机器独立的程度独立不独立3编制程序的难易程度易难4编制程序所需时间短较长5程序执行时间较长短6编译过程中对计算机资源的要求多少7.4.2指令格式指令
9、格式l影响计算机指令格式的因素影响计算机指令格式的因素l机器的字长机器的字长l存储器的容量存储器的容量l指令的功能指令的功能l指令能反映以下信息指令能反映以下信息l做什么操作做什么操作l如果需要操作数,从哪里取如果需要操作数,从哪里取l结果送哪里结果送哪里l下一条指令从哪里取下一条指令从哪里取l所以指令格式包括两个方面:所以指令格式包括两个方面:操作码字段操作码字段地址码字段地址码字段8.4.2指令格式指令格式一、操作码一、操作码l设计计算机时,对指令系统的每一条指令都要规定一个操作码。设计计算机时,对指令系统的每一条指令都要规定一个操作码。指令的操作码指令的操作码OP表示该指令应进行什么性质
10、的操作,如进行加表示该指令应进行什么性质的操作,如进行加法、减法、乘法、除法、取数、存数等等。不同的指令用操作法、减法、乘法、除法、取数、存数等等。不同的指令用操作码字段的不同编码来表示,每一种编码代表一种指令。码字段的不同编码来表示,每一种编码代表一种指令。l组成操作码字段的位数一般取决于计算机指令系统的规模。较组成操作码字段的位数一般取决于计算机指令系统的规模。较大的指令系统就需要更多的位数来表示每条特定的指令。大的指令系统就需要更多的位数来表示每条特定的指令。l等长(指令规整,译码简单)等长(指令规整,译码简单)l例如例如IBM370机,该机字长机,该机字长32位,位,16个通用寄存器个
11、通用寄存器R0R15,共有,共有183条指令;指令的长度可以分为条指令;指令的长度可以分为16位、位、32位位和和48位等几种,所有指令的操作码都是位等几种,所有指令的操作码都是8位固定长度。位固定长度。l固定长度编码的主要缺点是:信息的冗余极大,使程序的固定长度编码的主要缺点是:信息的冗余极大,使程序的总长度增加。总长度增加。9.二、地址码二、地址码l根根据据一一条条指指令令中中有有几几个个操操作作数数地地址址,可可将将该该指指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。三地址指令三地址指令二地址指令二地址指令单地址指令单地址指令零地址指令零地址指令操作码(操作码(4 4
12、位)位)1 1(6 6位)位)操作码(操作码(4 4位)位)1 1(6 6位)位)2 2(6 6位)位)操作码(操作码(4 4位)位)1 1(6 6位)位)2 2(6 6位)位)操作码操作码A3A3(6 6位)位)10.二、地址码二、地址码l三地址指令三地址指令l指令格式如下:指令格式如下:l操作码操作码第一操作数第一操作数A1第二操作数第二操作数A2结果结果A3l功能描述:功能描述:l(A1)(A2)A3l(PC)+1PCl这种格式的指令长度比较长,只在字长较长的大、这种格式的指令长度比较长,只在字长较长的大、中型机中使用,而小型、微型机中很少使用。中型机中使用,而小型、微型机中很少使用。A
13、3A3A2A2A1A111.二、地址码二、地址码l二地址指令二地址指令l其格式如下:其格式如下:ll操作码操作码第一操作数第一操作数A1第二操作数第二操作数A2l功能描述:功能描述:l(A1)(A2)A1l(PC)+1PCl二地址指令在计算机中得到了广泛的应用,但是在二地址指令在计算机中得到了广泛的应用,但是在使用时有一点必须注意:指令执行之后,使用时有一点必须注意:指令执行之后,A1中原存中原存的内容已经被新的运算结果替换了。的内容已经被新的运算结果替换了。A2A2A1A112.二、地址码二、地址码l二地址地址根据操作数的物理位置分为:二地址地址根据操作数的物理位置分为:lSS存储器存储器-
14、存储器类型存储器类型lRS寄存器寄存器-存储器类型存储器类型lRR寄存器寄存器-寄存器类型寄存器类型慢13.二、地址码二、地址码l一地址指令一地址指令l指令格式为:指令格式为:l操作码操作码第一操作数第一操作数A1l功能描述:功能描述:l(AC)(A1)A1l(PC)+1PCl单操作数运算指令,如单操作数运算指令,如“+1”、“-1”、“求反求反”l指令中给出一个源操作数的地址指令中给出一个源操作数的地址 A1A114.二、地址码二、地址码l零地址指令零地址指令l其格式为:其格式为:l操作码操作码l“停机停机”、“空操作空操作”、“清除清除”等控制类指令。等控制类指令。15.三、指令长度三、指
15、令长度l概念概念l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)l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。l单字长指令单字长指令l半字长指令半字长指令l双字长指令双字长指令l多字长指令多字长指令的优缺点的优缺点l优点提供足够的地址位来解决访问内存任何单元的寻址问题优点提供足够的地址位来解决访问内存任何单元的寻址问题;l缺点必须两次或多次访问内存以取出一整条指令,降低了缺点必须两次或多次访问内存以取出一整条指令,降低了CPU的的运算速度,又占用了更多的存储空间。运算速度,又占用了更多的存储空间。l指令系
16、统中指令采用指令系统中指令采用等长指令等长指令的优点:各种指令字长度是相等的,的优点:各种指令字长度是相等的,指令字结构简单,且指令字长度是不变的指令字结构简单,且指令字长度是不变的;l采用采用非等长指令非等长指令的的优点:各种指令字长度随指令功能而异,的的优点:各种指令字长度随指令功能而异,结结构灵活,能充分利用指令长度,但指令的控制较复杂构灵活,能充分利用指令长度,但指令的控制较复杂。16.五、指令助记符五、指令助记符l由于硬件只能识别由于硬件只能识别1和和0,所以采用二进制操作,所以采用二进制操作码是必要的,但是我们用二进制来书写程序却码是必要的,但是我们用二进制来书写程序却非常麻烦。非
17、常麻烦。l为了便于书写和阅读程序,每条指令通常用为了便于书写和阅读程序,每条指令通常用3个或个或4个英文缩写字母来表示。这种缩写码叫个英文缩写字母来表示。这种缩写码叫做指令助记符做指令助记符用用34个英文字母来表示操作码,一般为英文缩写个英文字母来表示操作码,一般为英文缩写不同的计算机系统,规定不一样不同的计算机系统,规定不一样必须用汇编语言翻译成二进制代码必须用汇编语言翻译成二进制代码17.六、指令格式举例六、指令格式举例l8位微型计算机的指令格式位微型计算机的指令格式l如如8088,字长,字长8位,指令结构可变位,指令结构可变l包括单字长指令、双字长指令和三字长指令包括单字长指令、双字长指
18、令和三字长指令l操作码长度固定操作码长度固定lPDP/11系列机的指令格式系列机的指令格式l字长字长16位位l单字长指令单字长指令l操作码字段不固定操作码字段不固定18.七七、Pentium指令格式指令格式l指令长度可变,最短指令长度可变,最短1个字节,最长个字节,最长12个字节,典型的个字节,典型的CISC指指令系统令系统l由可选前缀(由可选前缀(04)、操作码()、操作码(12)、)、一个由一个由mod-R/M字节字节和一个和一个SIB(ScaleIndexBase)比例变址字节组成的地址指)比例变址字节组成的地址指定器定器、一个可选的位移量(、一个可选的位移量(04)和一个可选的立即数字
19、段)和一个可选的立即数字段(04)构成。)构成。指令前缀段取代操作数长度取代地址长度取代操作码ModReg或操作码R/MSIB位移量立即数19.七七、Pentium指令格式指令格式l指令前缀中的指令前缀中的重复前缀重复前缀指定串的重复操作,这样使指定串的重复操作,这样使Pentium处理串比软循环快得多。处理串比软循环快得多。lLOCK前缀前缀用于多用于多CPU环境中对共享存储器的排他性环境中对共享存储器的排他性访问访问l段取代用于改变默认段寄存器的情况段取代用于改变默认段寄存器的情况l操作数长度取代和地址长度取代用于在保护模式下决操作数长度取代和地址长度取代用于在保护模式下决定操作数和指令的
20、长度定操作数和指令的长度(32位位/16位位)l以下以下4个指令前缀都是可选的,分别为个指令前缀都是可选的,分别为0或或1个字节个字节指令前缀段取代操作数长度取代地址长度取代20.七七、Pentium指令格式指令格式l操作码是必须的,操作码是必须的,12个字节个字节lMod、Reg、R/M为共为共1个字节,是可选的。个字节,是可选的。lmod-R/M指定的操作数是在指定的操作数是在R中还是在中还是在M中。中。lmod(2位)位)R/M(3位)的位)的32种值构成了种值构成了8种寄存种寄存器方式和器方式和24种变址方式(参考汇编语言教材);种变址方式(参考汇编语言教材);lReg(3位)指定另一
21、个操作数(寄存器)。位)指定另一个操作数(寄存器)。操作码ModReg或操作码R/MSIB位移量立即数1个字节1个字节21.七七、Pentium指令格式指令格式lS、I、B共共1个字节,分别是比例系数、变址寄存器号、个字节,分别是比例系数、变址寄存器号、基址寄存器号,可选。基址寄存器号,可选。l位移量:可以是位移量:可以是0,1,2,4个字节个字节l立即数:可以是立即数:可以是0,1,2,4个字节个字节l举例举例P110例例1-例例2操作码ModReg或操作码R/MSIB位移量立即数22.4.3操作数类型操作数类型l操作数类型操作数类型l地址数据地址数据:地址实际上也是一种形式的数据。地址实际
22、上也是一种形式的数据。l数值数据数值数据:计算机中普遍使用的三种类型的数值数据。计算机中普遍使用的三种类型的数值数据。(1)定定点整数或定点小数点整数或定点小数;(2)浮点数浮点数;(3)压缩十进制数压缩十进制数l字符数据字符数据:文本数据或字符串,目前广泛使用文本数据或字符串,目前广泛使用ASCII码。码。l逻辑数据逻辑数据:一个单元中有几位二进制一个单元中有几位二进制bit项组成,每个项组成,每个bit的值的值可以是可以是1或或0。当数据以这种方式看待时,称为逻辑性数据。当数据以这种方式看待时,称为逻辑性数据。lPentium数据类型数据类型(见见P111表表4.4)l常规数据类型常规数据
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