计算机组成原理指令系统 (2)

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1、林楠办公室：211办公电话：0371-63888959电子邮件： 计算机组成原理 第七章 指令系统软件硬件逻辑功能：计算 0 + 1 机器指令：001 00 01 汇编语言：ADD r1, r2指令系统历来都是考试的常考点，这一章相对简单，要拿高分就要确保 这章相关考点的分数。指令格式 1、指令的基本格式 2、定长长操作码码指令格式 3、扩扩展操作码码指令格式熟练练 掌握指令的寻寻址方式 1、有效地址的概念 2、数据寻寻址和指令寻寻址 3、常见寻见寻 址方式识记识记 了解 掌握CISC和RISC的基本概念了解大纲要求复习目标1、定长与扩展操作码指令格式的优缺点；扩展操作码指令系统的设计。2、指

2、令常见寻址方式的种类及各种寻址方式下有效地址的计算。1、理解指令、指令系统、指令格式的概念；掌握定长操作码指令格式及扩展操作码指令格式。2、理解形式地址、有效地址、指令寻址方式的概念；掌握常见寻址方式及有效地址的计算。3、了解CISC和RISC的基本概念。重难点提示第七章 指令系统7.1、指令系统概述 7.2、指令的格式7.2.1、地址码结构7.2.2、操作码结构 7.3、指令的寻址方式 7.4、指令的类型与功能7.1、指令系统概述软件硬件计算机系统包括硬件和软件两大组成部分。硬件：指构成计算机的CPU、主存、外设等物理装置。 软件：系统软件和各种用户应用软件。指令：CPU中控制器发布的操作命

3、令。 指令系统：一台计算机所能执行的全部指令的集合。一台特定的计算机只能执行自己指令系统中的指令。因此，指令系统就是计算机的机器语言。软硬件分工就在：指令系统程序员在指令系统上设计系统 软件，不需要关心硬件设计。硬件设计去实现指令系统的操 作，所以要了解指令的结构。硬件设计过程指令系统直接与 计算机系统的运行性能、 硬件结构、 复杂程度等密切相关；它是设计一台计算机的 起始点和基本依据。7.1、指令系统概述指令助记符 由于硬件只能识别1和0，操作码采用二进制，但书写程序非常麻烦。 为了便于书写和阅读程序，每条指令用3或4个英文缩写字母来表示。 这种缩写码叫做指令助记符（例如：汇编语言）指 令

4、功 能指令助记记符二进进制操作码码加 法 ADD 001减 法 SUB 010传传 送 MOV 011跳 转转 JMP 1007.1、指令系统概述在不同系列的计算机中，指令助记符的规定不一样。 机器执行程序时，指令助记符必须转换成与相对应的二进制操作码。 这种转换借助汇编程序自动完成，汇编程序相当于一个“翻译”。 机器指令 （二进制指令）汇编语言 （符号标记）汇编程序 翻译ADD001高级语言：如C，JAVA等，其语句和用法与机器的指令系统无关。 低级语言：机器语言（二进制语言）和汇编语言（符号语言），都是面向机器的语言，和具体指令系统与硬件结构相关。机器语言用指令代码编写程序。汇编语言用指令

5、助记符编写程序。（汇编语言编写的程序不能在其他类型的机器上运行）比 较较 内 容高级语级语 言 低级语级语 言1对对程序员员的训练训练 要求(1)通用算法(2)语语言规则规则(3)硬件知识识有 较较少 不要有 较较多 要2 对对机器独立的程度独立不独立3 编编制程序的难难易程度易难难4 编编制程序所需时间时间短较长较长5 程序执执行时间时间较长较长短6 编译过编译过 程中对计对计 算机资资源的要求多少7.1、指令系统概述字节：8位二进制代码表示一个字节。 字： 由字节组成，如：字长32位，即4个字节。数据字：计算机的字表示一个数。 指令字：计算机的字表示一条指令。机器字长：指计算机一次能直接处

6、理二进制代码的位数； 指令字长：一条指令中包括二进制代码的位数。单字长指令：指令字长等于一个机器字长的指令； 半字长指令：指令字长等于半个机器字长的指令； 双字长指令：指令字长等于两个机器字长的指令。定字长指令结构：在一个指令系统中，各种指令字长相等。 变字长指令结构：在一个指令系统中，各种指令字长不相等，有的指令是双字长或三字长指令。机器字长半字机器字长机器字长7.1、指令系统概述（基本概念）16位操作系统 Windows 1.0（1985），Windows 2.0（1987）。混合的16/32位操作系统 Windows 95（1995、1996、1997），Windows 98（1998、

7、1999、2000）， Windows ME。32位操作系统 Windows NT 3.1（1992年）、NT 3.5、NT 3.51、NT 4.0、Windows 2000、 Windows XP 32位Windows Vista（Windows Vista同时有32位的x86版本与64位的x64版本）64位操作系统 Windows XP 64位版、Windows Server 2003 64位版、 Windows Vista 64位版机器字长一般体现在寄存器的位数，不同字长的计算机安装不同的操作系统64位电脑可以安装32位操作系统，32位电脑绝对不能安装64位操作系统。7.1、指令系统概述

8、（扩展内容）指令系统的发展50年代：指令系统只有定点加减、逻辑运算、数据传送、转移等十几至几十条指令。 60年代后期：增加了乘除运算、浮点运算、十进制运算、字符串处理等指令，指令数目多达一二百条，寻址方式也趋多样化。系列计算机：基本指令系统相同、基本体系结构相同的一系列机器。一个系列往往有多种型号，在结构和性能上有所差异。例如：IBM 370系列，VAX-11系列， IBMPC（XT/AT/286/386/486/Pentium）微机系列等同一系列的各机型有共同的指令集，且新推出的机型指令系统一定包含所有旧机型中的全部指令，旧机型上运行的各种软件可以不加任何修改便可在新机型上运行，减少了软件开

9、发费用。 7.1、指令系统概述70年代末期: 大多数计算机的指令系统多达几百条。称这些计算机为复杂指令系统计算机（CISC）。其指令条数多，格式多样，寻址方式复杂，每条指令的功能强。优点是汇编程序设计容易些，但控制器的实现困难，许多指令被使用的机会不多。此外，CISC庞大的指令系统难以保证正确性，不易调试维护，造成硬件资源浪费。为此又提出了便于VLSI（超大规模集成电路）技术实现的精简指令系统计算机（RISC）。其指令数目少，格式与功能简单，运行速度快，控制器容易实 现，更容易在VLSI电路芯片内制作出来。7.1、指令系统概述常见的RISC精简指令集微处理器包括: DEC Alpha、ARC、

10、ARM、AVR、MIPS、PA-RISC、Power Architecture (包括PowerPC、PowerXCell) 和SPARC等常见的CISC复杂指令集微处理器包括: Intel x86 ( P6之后，x86CPU开始采用内核精简指令集)对对指令系统统性能的要求：一台计计算机的指令系统统的优优劣，通常应应从如下四个方面考虑虑：（1） 指令系统统的完备备性，常用指令齐齐全，编编程方便（2） 指令系统统的高效性，程序占内存空间间少，运行速度快（3） 指令系统统的规规整性，指令和数据使用规则统规则统 一简单简单 ，易学易记记（4） 指令系统统的兼容性，同一系列的低档计计算机的程序能在新的

11、高档机上直接运行要完全同时满时满 足上述标标准是困难难的，但它可以指导导我们设计们设计 出更加合理的指令系统统。7.1、指令系统概述指令设计中的一般问题：1、指令格式反映了指令执行过程的处理方法；如变字长，识别操作码，寻址，取操作数等。 2、指令格式的选择直接影响到编程，存储空间的利用。 3、指令系统规定的操作，直接决定了ALU的构成方式及规模。 4、指令系统，它们指定的操作数及其存取方式，在极大程度上影响了主存的规模及结构。 5、指令系统规定的寻址方式对处理机的速度有很大的影响。 6、指令系统规定的程序控制功能对程序编程灵活性有很大的影响。 7、输入、输出的处理 功能将规定CPU对输入输出操

12、作控制的广度和深度。 8、指令类型反映全机具备的功能及总体结构。 9、指令的能力将影响到中断响应和处理，以及程序嵌套的浓度。设计指令系统的核心问题集中体现在指令的格式和功能设计问题上：指令格式设计（地址结构、操作码结构）指令寻址方式、指令的类型与功能设置 7.1、指令系统概述第七章 指令系统7.1、指令系统概述 7.2、指令的格式7.2.1、地址码结构7.2.2、操作码结构 7.3、指令的寻址方式 7.4、指令的类型与功能操作码地址码MOV r，m ADD r1，r2指令：CPU中控制器发布的操作命令。指令格式：一条指令应完成以下功能：执行什么操作？（操作码）操作数到哪里去取？结果送到哪里？（

13、地址码）为了使程序自动执行还应该指出下一条指令的地址。操作码地址码 MOV r，m ADD r1，r2指令的操作码：用于指明本条指令的操作功能。 例如：算术加、减，逻辑与、或，读、写内存，读、写外设指令的地址码：用于给出被操作数的地址。 包括：参加运算的一或多个操作数地址，运算结果的保存地址7.2、指令的格式第七章 指令系统7.1、指令系统概述 7.2、指令的格式7.2.1、地址码结构7.2.2、操作码结构 7.3、指令的寻址方式 7.4、指令的类型与功能操作码地址码MOV r，m ADD r1，r2地址码结构涉及到两方面的问题:1）所需的操作数或结果，存放的物理位置以及存取特点；2）指令的地

14、址部分如何给出，完成某一操作的全部信息。前者取决于数据的存储结构，后者与地址码的结构有关。数据存储的物理结构与存取方式常见的存储机构有：CPU寄存器组、主存、辅存、栈等。数据存取与具体的存储结构有关。7.2.1、地址码结构1）、CPU寄存器组寄存器用于暂时存放数据和指令，它与运算部件直接相连。因此，程序员设计软件能分配的重要资源包括CPU的寄存器组。不同的寄存器有不同的用途，为指明相应的寄存器，其地址由寄存器号给出，它的使用方法直接体现在指令格式中。例如： ADD AL，BL2）、主存从程序运行角度，主存允许随机访问。因此，指令的格式中也必须直接或间接地给出存储单元地址。3）、辅存辅存不被CP

15、U直接访问，只与主存交换数据。因此，它的地址在CPU操作指令格式的设计中不必考虑。7.2.1、地址码结构数据存储的物理结构与存取方式7.2.1、地址码结构（扩展内容）程序执行过程的三个步骤（补充一点编译原理的内容） 1、操作系统从硬盘把要执行的程序，调入内存中的代码区（code segment）； 2、操作系统找到程序入口地址，开始执行（例如：main 方法） 3、程序执行中，操作系统对内存进行动态管理（不同操作系统内存分配有所不同）堆栈内存中的堆区、栈区。 栈是一种线性结构， 堆是一种链式结构。必看：“尚学堂” 马士兵，讲JAVA编程过程中怎样画内存。4）、栈（数据结构中讲过，这里着重怎样用

16、硬件去实现栈的功能）一种按特定顺序进行存取的存储区域，依据 “后进先出” LIFO的原则（1）栈的特点数据顺序由顶到底（下推）或由底到顶（上推）地装入栈，并以相反的顺序从栈中取出。因为栈编址具有线性表列性质，所以不要求跟踪当前进入 栈的真实单元，而是用一个具有自动递增或递减功能的栈指针SP（Stack Pointer）来指出最后一次数据在栈中存入的地址就可以了。由于栈特殊结构，在指令系统中可以单独设置栈指令。 数据进入栈（压入），由Push指令完成，数据从栈中取出（弹出）由POP指令完成。顶底SP7.2.1、地址码结构数据存储的物理结构与存取方式一种数据结构，栈（stack，俗称堆栈）空了不能弹出 满了不能压入（2）栈的使用规则建栈原则：使用栈时，注意避免从空栈中弹出栈顶单元或在满栈中再压入一个栈顶单元。栈操作：假定SP总是指向一个实单元，根据建栈原则操作如下：压入 PUSH A 先形成压入地址（修改栈指针）