计算机组成原理第3章-计算机指令和控制器-指令部分刘

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1、第3章 计算机指令和控制器,3.1 计算机的指令系统 3.2 计算机的微处理器 3.3 指令工作分析 3.4 时序信号形成 3.5 微程序控制器,1,本章概述： 计算机指令与控制器关系 计算机指令参见：P114 控制器产生的微指令参见：P157 微指令的基本格式 结论： 指令只针对该控制器。 指令和控制器是结合一起设计的。,2,第3章 计算机指令和控制器,3.1 计算机的指令系统,3.1.1 指令系统概述 3.1.2 指令的格式 3.1.3 指令的寻址方式 3.1.4 指令的分类 本节教学目标：熟练掌握指令的格式、寻址方式、指令 的类型及精简指令集的特点。 本节重点内容：自主分析指令的寻址方式

2、，能够运用一 些简单的指令解决基本问题，并理解指 令的处理过程。,3,几个概念 程序、指令、指令系统、系列计算机 、CISC和RISC,计算机的程序是由一系列的指令组成 指令计算机能直接识别、执行的某种操作命令 微指令、机器指令、宏指令 机器指令中每条指令可以完成独立运算，简称指令 指令系统是一台计算机中所有指令的集合 系列计算机基本指令系统相同，基本系统结构相同,3.1.1 指令系统概述（P114）,CISC和RISC,为了增强处理器的功能，强化指令系统：指令多、寻址方式复杂、格式变化，形成复杂指令集计算机CISC（Complex Instruction Set Computer） CISC

3、中最常用、最简单、最基本的指令存在”二八”原则 “80%和20%规律”产生了精简指令集计算机RISC（Reduced Instruction Set Computer） (P177),5,CISC和RISC,RISC特点是： 指令长度固定，指令格式少，寻址方式少； 单周期完成最简指令执行； 指令实现流水线处理； 控制器用简单门电路组成控制逻辑； 简化的存储器管理；复杂操作在寄存器上进行 复杂功能由编译系统实现；编译系统承担对源程序的优化，以保证流水线工作效率,6,7,3.1.2 指令的格式,指令=操作码字段+操作数地址字段,对应关系（P118表）：机器指令符号指令 表达形式相异： 0、1编码字

4、符组合 基本结构相同： 操作码地址码 操作码操作数,一、操作码 指明指令操作性质的命令码。它提供指令的操作控制信息。 指令系统中指令的个数N与操作码的位数n，必须满足关系式： N2n 1、长度固定 用于指令字较长的情况，如IBM370。,8,3.1.2 指令的格式,2、长度可变 操作码分散在指令字的不同字段，如单片机。 3、扩展操作码技术 4位操作码 8位操作码,9,3.1.2 指令的格式,0000 A1 A2 A3 0001 A1 A2 A3 ： 1110 A1 A2 A3,1111 0000 A2 A3 1111 0001 A2 A3 ： 1111 1110 A2 A3,15条三地址指令,

5、15条二地址指令,3、扩展操作码技术 以指令字长16位为例 12位操作码 16位操作码,10,3.1.2 指令的格式,1111 1111 0000 A3 1111 1111 0001 A3 ： 1111 1111 1110 A3,1111 1111 1111 0000 1111 1111 1111 0001 ： 1111 1111 1111 1111,15条一地址指令,15条零地址指令,11,分析：指令字长为12位，每个地址码为3位，采用扩展操作码方式，设计4条三地址指令，16条二地址指令，64条一地址指令和16条零地址指令。 提示： 1、不允许短码是长码的前缀，即短操作码不 能与长操作码的前

6、面部分的代码相同。 2、各指令的操作码一定不能重复,基本结构相同：操作码 地址码 存储器 寄存器 I/O接口 操作码主要功能 运算 传送,12,二、地址码,3.1.2 指令的格式,1、指令按地址码个数分类,13,三地址指令,二地址指令,一地址指令,OP,零地址指令,(A1)OP(A2) (A3),(A1)OP(A2) (A1),(AC)OP(A) AC,如停机,空操作,堆栈指令,3.1.2 指令的格式,零地址指令格式 这是一种没有操作数地址部分的指令格式。 这种指令：无需任何操作数或隐含操作数。 如空操作指令，停机指令等。,14,操作码 OP,3.1.2 指令的格式,一地址指令格式 指令中给出

7、的一个地址即是操作数的地址，又是操作结果的存储地址。如加1、减1、移位等单操作数指令。 (AC)OP(A) AC,二地址指令格式 把保存操作前原来操作数的地址称为源点地址(SS)，把保存指令执行结果的地址称为终点地址或目的地址(DD)。 A1 （A1）OP（A2） 例如，双操作数加法指令： ADD R0，R1 ADD (R0)，R1,15,三地址指令格式 其操作是对A1、A2指出的两个操作数进行操作码所规定的操作，并将结果存入A3中。 (A1)OP(A2)A3,16,2、二地址指令从操作数位置归类 RR型指令(P117) RR型指令指令中两个操作数都是寄存器操作数 （RR型占用空间小，执行速度

8、快） RS型指令 RS型指令指令中两个操作数，一个是寄存器操作数，另一个是存储器操作数。（RS型可以直接访问存储器，方便） SS型指令 SS型指令访问内存指令格式，参与操作的数都在内存中。（SS型需多次访问内存）,17,3.1.2 指令的格式,18,3、指令字长度（P119）,指令字长=操作码的位数+(操作数地址个数)*(操作数地址码位数) 单字长指令指令字长度等于机器字长度的指令 半字长指令、双字长指令、三/四字长指令、可变字长等,3.1.2 指令的格式,4、简单指令系统的具体指令格式 pentium机指令 嵌入式系统ARM机指令 模型指令（P121例1、例2）,简单指令系统的具体指令格式（

9、P121例1、2）,19,TH-union+教学实验计算机系统指令格式,2019/10/20,20,TH-union+ 教学实验 计算机系统 1)实验机 的指令系统 基本指令29条 扩展指令19条 分类 符号指令形式,思考题：指令格式如下所示，其中OP为操作码。 试分析指令格式特点。 解： 单字长二地址指令。 操作码字段OP可以指定27=128条指令。 源寄存器和目标寄存器都是通用寄存器（可分别指定32个），所以是RR型指令，两个操作数均存在寄存器中。 这种指令结构常用于算术逻辑类指令。,21,思考题：双字指令格式如下所示，OP为操作码字段。 试分析指令格式的特点。 解： （1）双字长二地址指

10、令，用于访问存储器。 （2）操作码字段OP为6位，可以指定26=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（由基值寄存器和位移量决定），所以是RS型指令。,22,基址,寻址：指的是寻找操作数的地址或下一条将要执行 的指令地址。 寻址方式 指令寻址 顺序寻址 跳跃寻址 操作数寻址,23,3.1.3 指令和数据的寻址方式,指令寻址顺序寻址（P123）,程序的指令序列在主存顺序存放。程序执行时从第一条指令开始，逐条取出并逐条执行，这种程序的顺序执行过程，称为顺序寻址方式。 为了达到顺序寻址的目的，CPU中必须有一个程序计数器（PC）对指令的顺序号进行计数。PC中开始

11、时存放程序的首地址，每执行一条指令，PC 加1，以指出下条指令的地址，直到程序结束。 通常PC存放下一条指令的地址,24,顺序寻址过程,25,100,Inc AX,add ax,bx,PC,+1,100,101,内存,101,指令寻址跳跃寻址（P123）,当程序中出现分支或循环时，就会改变程序的执行顺序。此时对指令寻址就要采取跳跃寻址方式。 所谓跳跃，就是指下条指令的地址不是通过程序计数器PC当前值获得的，而是由指令本身给出。 跳跃的处理方式是重新修改PC的内容。然后进入取指令阶段。,26,跳跃寻址过程,27,IR,100,JMP 103,MOV AX,BX,PC,内存,100,101,102

12、,103,+1,JMP 103,指令寄存器IR,MOV AX,BX,103,操作数的寻址方式熟悉几个名词（P124),28,操作数寻址方式：操作数位置的表达和实现方式 寄存器、立即数、存储器、I/O设备 存储器地址名称：物理地址逻辑地址 物理地址内存中实际地址 逻辑地址在指令中表现形式 逻辑地址段地址：偏移地址(8086CPU) 有效地址 EA(R)+A A形式地址（偏移量）,操作数寻址方式分类：（P125） 隐含寻址 立即寻址 寄存器寻址 直接寻址 (寄存器)间接寻址 偏移寻址 基址寻址 变址寻址 相对寻址 堆栈寻址,29,3.1.3 指令和数据的寻址方式,8088计算机工作过程：10010

13、0H,隐含寻址,不明确给出操作数地址，而是隐含方式体现： 如：MUL BL MOVS,31,立即（数）寻址,地址码字段是操作数本身 操作数= A 例: MOV AX,2038H （2038HAX）,32,MOV,38,20,20,38,内存,AX,寄存器寻址,操作数在CPU的内部寄存器中. EA=R MOV AX, BX,33,0x2000,0x4FFF,BX,AX,0x2000,直接寻址,地址码字段直接给出操作数在内存的地址. MOV AX , 200,34,77,200,200,内存,EA=A,间接寻址,A是操作数地址的地址 E=（A）,35,400,788,300,300,400,需要访

14、问两次内存,速度慢 已被淘汰,内存,基址/变址寻址,指定一个寄存器R,其存放基址/变址,R被称为基址/变址寄存器。 EA=（R） MOV AX, SI SI,DI 都称为变址寄存器 Mov AX，BX BX是基址寄存器,36,相对寻址,EA=（PC）+A A相对于当前指令的位移量,相对寻址是基址寻址的一种变通，由程序计数器PC提供基准地址，即,38,堆栈寻址方式,AX,AX,BX,BX,AX,CX,CX,BX,AX,PUSH AX,PUSH BX,PUSH CX,CX,BX,AX,POP CX,堆栈顶,堆栈是一种按特定顺序进行存取的存储区，这种特定顺序可归结为“后进先出”（LIFO）。,39,

15、分析： 1）分析3种指令的指令格式和寻址方式特点 2）CPU完成哪种操作花的时间最短，哪种最长，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？,MOV S,D,位移量,MOV S,M,4,4,2,6,3.1.4 指令的分类,基本指令和分类（P130） 1)传送 2)运算 3)程序控制 4)数据块操作 5)CPU控制,41,3.1.4 指令的分类,1）数据传送指令,包括：取数、存数、传送、交换、堆栈操作等。,c.设置寻址方式,源地址 目的地址,42,2）算术逻辑运算指令,算术运算指令主要用于进行定点和浮点运算。这类运算包括加、减、乘、除以及加1、减1、比较等，有些机器还有十进制算术运算指令。,一般计算机都具有与、或、非、异或等逻辑运算指令。这类指令在没有设置专门的位操作指令的计算机中常用于对数据字（字节）中某些位（一位或多位）进行操作。