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1、计算机组成原理 第四章 指令系统 本章复习要点：1. 理解指令的基本格式、定长与扩展操作码格式 2. 掌握指令寻址方式的基本概念、常见寻址方式及其有效地址的计算3. 了解CISC和RISC的基本概念4.1 指令系统的几个名词 指令系统指令系统的几个基本名词: 程序: 是计算机中若干指令的有序组合。指令: 就是要计算机执行某项运算或处理功能的命令。从计算机组成的层次结构来说，计算机的指令有微指令、机器指令和宏指令之分。微指令：微程序级的命令，它属于硬件；宏指令：由若干条机器指令组成的软件指令，它属于软件；机器指令（指令）：介于微指令与宏指令之间，每条指令可 完成一个独立的算术运算或逻辑运算或处理
2、功能。 指令系统：一台计算机中所有机器指令的集合，它是表征一台计算机性能的重要因素。指令的格式与功能不仅直接影响到机器的硬件结构，也直接影响到系统软件，影响到机器的适用范围。指令字:（简称指令）表示一条指令的机器字。4.2 指令格式 指令系统指令格式：用二进制代码表示的“指令字”结构形式，通常由操作码字段和地址码字段组成：操作码码字段 地址码码字段操作码字段: 表征指令的操作特性与功能；地址码字段: 又称为操作数字段，通常指定参与操作的操作数、或操作数的地址。1 操作码 指令系统操作码码字段 地址码码字段不同的操作码字段编码可用来表示不同的指 令。操作码字段的位数，一般取决于计算机指令 系统的
3、规模。显然：n位操作码，可表示2n条不同的指令。例如，对于定长操作码字段： 若指令系统共有8条指令，则用3位操作码就够；如果有30条指令，则至少需要5位操作码。当然，操作码字段的长度也可以是变长的，视指令系统的需要而定。指令系统操作码码字段 地址码码字段当指令字长度不够时，可以利用操作码字段和地址码字段长度的调整，划分出不同类型的指令。以便用较短的指令字长来表示尽可能多的操作种类，或在更大的存储空间中寻址。（在微型计算机中常用，见后面例题） （扩展）2 地址码 （又称操作数）根据一条指令中有几个操作数，可将该指令称为几操作数指令或几地址指令。一般的操作数包括：被操作数、操作数及操作结果这三种数
4、，因而就形成了三地址指令格式。在此基础上，后来又发展成二地址格式、单地址格式和零地址格式，如下图所示：指令系统操作码码A1A2A3操作码码A1A2操作码码A操作码码三地址指令 二地址指令 单地址指令 零地址指令 指令主要归结为如下三种类型：（1）存储器-存储器（SS）型指令：（A1、A2都是内存地址）特点：参与操作的数都放在内存里，从内存某单元中取操作数，操作结果也存放至内存单元中。机器执行这类指令需要多次访问内存，因此执行速度较慢。操作码码A1A2以二地址指令为例：（2）寄存器-寄存器（RR）型指令：（A1、A2都是寄存器号）特点：参与操作的数都在寄存器中，从寄存器中取操作数，把操作结果放到
5、另一寄存器。因为执行这类 指令，不需要访问内存，在CPU中就可以完成，因此这类指令的执行速度很快。（3）寄存器-存储器（RS）型指令：特点：一个操作数在寄存器中，另一操作数在存储器中。 因此，执行此类指令时，机器既要访问内存单元，又要访问寄存器。 3 指令字结构 指令字长度：一条指令所用的二进制数码的位数。机器字长：计算机能直接处理的二进制数码的位数，它决定了计算机的运算精度。（如： 16位机、32位机、64位机等）指令字的设计包括： 单字长指令：指令长度= 机器字长度；半字长指令：指令长度= 半个机器字长度的指令；双字长指令：指令长度= 两个机器字长度的指令；多字长指令：指令长度= 多个机器
6、字长度的指令。指令系统使用多字长指令目的：主要为了扩充地址码长度，解决访问内存空间的 地址问题。如：三字长指令格式 多字长指令的主要缺点：需要多次访问内存以取出一条完整的指令，降低了CPU的运行速度，又占用了较多的存储空间。(当然，若采用指令流水线、多体交叉存储等技术，可以解决此问题） 操作码 操作数地址1 操作数地址2 等长指令字结构: 各种指令字长度是相等的。这种指令字结构简单，编译方便。变长指令字结构: 指令字的长度随指令功能而变化。这种指令字结构灵活，能充分利用指令长度， 但指令的译码及控制要复杂一些。 指令系统指令字结构：5 指令格式举例 （1）八位微型计算机的指令格式 8位机的字长
7、只有8位，指令结构常采用可变字长形式，包含单字长、双字长、三字长指令等多种。指令系统操作码码 操作码码 （单字长指令 ） （双字长指令 ） （三字长指令） 若内存按字节编址，则对于8位机来说，单字长指令每执行 一条指令后，指令地址加；双字长指令或三字长指令每执行 一条指令后，指令地址要加2或加3。可见，多字长的指令格式 并不利于提高机器速度。操作数地址 操作码 操作数地址1 操作数地址2 （2）定长指令格式 例如PDP/11系列机为16位机，采用定长指令格式，其指令字长16位，其指令格式如下表所示。表4.3 PDP/11系列机指令格式 指令系统从表中看出，在PDP/11中，各类指令的操作码字段
8、长度是 不同的。这样做可以应用操作码扩展的方法，设计出较多的指令。但是操作码字段不固定，对控制器的设计来说必将复杂化。举例： 例1 指令格式如下所示，其中OP为操作码，试分析该指令格式的特点。 指令系统15 97 43 0OP -源寄存器 目标标寄存器解： (1)单字长、二地址指令。 (2)操作码字段OP长度为7位，可以指定27= 128条指令。(3) 源寄存器和目标寄存器都是通用寄存器（各4位代码， 可分别指定16个寄存器）。(4) 两个操作数均在寄存器中，所以属于RR型指令，其执 行速度快。这种指令结构常用于算术逻辑运算类指令。 例2 指令格式如下所示，其中OP为操作码，试分析指令格式的特
9、点。(教材） 15 97 43 0OP -源寄存器 变址寄存器位移量(16位) 解： (1)双字长、二地址指令； (2)操作码字段OP为7位，可以指定27= 128种指令。(3)一个操作数在源寄存器中（可以从24=16个寄存器中选择一个），另一个操作数在存储器中（由变址寄存器和位移量决定该数的内存地址），属于RS型指令。例3 ：某16位机的二地址指令格式如下：15 109 54 0OP A1 A2若允许采用操作码扩展法来分别构造单地址指令和零地址 指令，试分析：该机器可以分别有二地址指令、单地址指令和 零地址指令各多少条？解：已知指令操作码OP有6位： 二地址指令：OP= 0000001111
10、10 （共26-1=63条）；取：OP=111111时，为单地址指令标志: (A1、A2都是5位） 单地址指令OP为：111111 00000111111 11110 （25-1=31条）取：OP=111111 11111 时，为零地址指令标志：零地址指令OP为：111111 11111 00000111111 11111 11111（25=32条）A2也扩充为操作码A1可扩充为操作码； A2作为单地址可见： 采用固定长度操作码（6位），最多只能产生26=64条指令； 采用操作码扩展法，则产生了（63+31+32）=126条指令。所以：虽然指令字长未变，但是产生的指令条数却大大增加了。 操作码
11、扩展法的特点。15 109 54 0OP A1 A2例4：已知指令字长为12位，每个地址3位。试采用扩展操作 码的方式，设计4条三地址指令、16条二地址指令、64条单地 址指令和16条零地址指令。（1）画出操作码扩展图；（2）画出指令译码逻辑；（3）计算操作码平均长度。解：（1）操作码扩展图：000 : : 011 100 000 : : 101 111 110 000 000 : 110 111 111 111 000 000 000: 111 000 001 1114条三地 址指令16条二地 址指令64条单地 址指令16条零地 址指令Y0 .Y3(2)指令译码逻辑图:3:8译码器4:16译
12、码器6:64译码器4:16译码器(操作码)(地址码)(4条)(16条 )(64条 )(16条)译码 启动Y7Y6Y15Y63Y0Y15Y0Y0(3)操作码平均长度L:使用操作码扩展方法的基本原则:(1)使用频率高的指令, 应分配短的操作码；使用频率低的指令则可相应地分配较长的操作码。(2)应尽量减少操作码的平均码长，有效地缩短操作码在程序中的长度，既节省存储空间、又可缩短指令的平均译码时间，提高程序的运行速度，减小控制器的复杂性。例5：某计算机的指令系统指令字长16位，操作数地址需4位，采用操作码扩展法增加指令条数。已知该系统已有三地址 指令M条、二地址指令N条、没有零地址指令，问：最多还有多
13、少条单地址指令？解：已知指令字长16位，操作数地址需4位，则：对于三地址指令：操作码长度为（16-43）=4 位；（可有24条指令） 对于二地址指令：操作码可扩展4 位； 对于单地址指令：操作码又可扩展4 位。 已知三地址指令M条，剩下的组合（24-M) 可扩展为二地址指令的条数为：（24-M) 24；又已知二地址指令N条， 剩下的组合(24-M)24-N可扩展为单地址指令； 没有零地址指令， 单地址指令的条数为： (24-M)24-N 24例6：某指令系统字长16位，每个地址码位长为6位，若已知有 二地址指令M条；零地址指令N条，问：系统可有单地址指令 多少条？解：设：有单地址指令X条指令字
14、长16位，地址码6位， 二地址指令可有：24条已知有二地址指令M条，可用于扩展： (24-M)单地址指令可有： (24-M)26已设：有单地址指令X条，可用于扩展： (24-M)26-X零地址指令N条为： (24-M)26-X26 =N可解得： 4.3 指令和数据的寻址方式 指令系统有效地址的概念：操作数或指令实际存放在某个存储单元时，该存储单元的编号，就是该操作数或指令在存储器中的有效（物理）地址。指令中的地址码常常为形式地址，需要应用设定的规则，由形式地址计算出有效地址。寻址方式：形成指令或操作数的存储单元有效地址的方式，称为寻址方式。寻址方式的类别： （1）指令寻址方式：用于形成指令的地
15、址。（2）数据寻址方式：用于形成操作数的地址。 包括两种: (1) 顺序寻址方式 (2) 跳跃寻址方式。(1) 顺序寻址方式 指令地址在内存中按顺序安排，当执行一段程序时，通常是按照指令的顺序依次执行。这种指令顺序被取出执行的过程，称为指令的顺序寻址方式。实现方法：通常使用程序计数器（又称指令指针寄存器）PC来计数指令的顺序号，依次给出指令在内存中的地址。指令系统1 指令的寻址方式 (2) 跳跃寻址方式 所谓跳跃: 是指下条指令的地址码不是由程序计数器PC顺序地给出，而是由本条指令直接给出。实现方法：通过直接修改程序计数器PC的内容来实现。PC将及时跟踪新的指令地址。采用指令的跳跃寻址方式，可以实现程序转
