计算机组成原理第四章 指令系统

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1、计算机组成原理第 四 章 指 令 系 统计算机组成原理4.1 指令系统的发展与性能要求4.1.1 指令系统的发展计算机的程序是由一系列的机器指令组成的。指令就是指挥计算机执行某种操作的命令。从计算机组成的层次结构来说，指令可以分为：1.微指令 是微程序级 属于硬件2.宏指令 由若干条机器指令组成 属于软件3.机器指令 介于上述两者之间 通常称为指令每一条指令可以独立的完成一个算术运算或逻辑运 算。计算机组成原理4.1 指令系统的发展与性能要求4.1.1 指令系统的发展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

2、系统软件，影响到机器的适用范围 。早期的计算机，由于硬件结构简单，指令系统就只 有定点加减、逻辑运算、数据传送、转移等几十条指令。60年代，随着集成电路的出现，又设置了乘除运算、浮 点运算、十进制运算、字符串处理等指令，达一二百条。计算机组成原理4.1 指令系统的发展与性能要求4.1.1 指令系统的发展70年代末期，随着VLSI技术的发展，大多数计算机的指令系统多达几百条。称为复杂指令系统 计算机，简称为CISC。但CISC的研制周期长，难以保证正确性，不易 调试，很多指令使用频率低且造成硬件资源浪费 。为此又提出了精简指令系统计算机，简称RISC 。计算机组成原理4.1 指令系统的发展与性能

3、要求4.1.2 对指令系统性能的要求一个完善的指令系统应满足如下四个方面的要求 ： 1.完备性：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。 2.有效性：指该指令系统所编写的程序能够高效的运 行。占空小、速度快。 3.规整性：指指令系统的对称性、匀齐性、指令格式 和数据格式的一致性。 4.兼容性：同一系列的不同机型，指令系统兼容。但 不同机型在结构和性能上有差异，完全兼容是不 可能的。只能做到“向上兼容”。计算机组成原理4.2 指令格式 一条指令应提供两方面的信息： 1、是指明操作的性质，即干什么工作 2、指明操作数的来源，地址 指令的基本格式如下：在指令格式设计时应相应地考

4、虑如下问题：指令字长需要多少位，是定字长还是变字长；操作码是定长还是扩展，是一段还由若干段组合 ；地址结构：一条指令的执行涉及到哪些地址，在 指令中给出哪些地址，哪些地址隐含的约定；操作码字段OP 地址码字段A 计算机组成原理4.2 指令格式 寻址方式：如何获得操作数地址，是直接给出还 是间接给出，或是经过变得计算获得等。计算机组成原理4.2 指令格式4.2.1 指令字长度1、一条指令字中包含二进制代码的位数，称为指令 字长度。指令字越长表示的信息越多，功能越丰富， 占用空间就越多读取的时间越长。指令字越短表示的信息越少，功能越简单， 占用空间就越少读取的时间越短。计算机组成原理4.2 指令格

5、式4.2.1 指令字长度2、机器字长：是指计算机能直接处理的二进制数据 的位数，一般与主存单元的位数一致。由指令字 长和机器字长之间的关系又可分为半字长指令、 单字长指令，双字长指令。采用单字长指令，则访问内存所花费的时间短 。采用多字长指令，可以有足够的地址位来解决 访问内存任何单元的寻址问题，但缺点是必须两 次或多次访问内存，浪费时间，且又占用了更多 的内存空间。计算机组成原理4.2 指令格式4.2.1 指令字长度3、固定字长和变字长指令 如果各种指令字长度是相等的，称为等长指令字结构 。特点：结构简单、易于硬件实现； 如果各种指令字长度是随指令功能而变化，称为变长 指令字结构。特点：能充

6、分利用指令长度、但指令的控制较复杂。早期计算机如NOVA系列，采用定字长指令格式，每条 指令16位。现代计算机广泛应用变字长指令，例如，IBM370系列 ，它的指令格式有16位（半字）的，有32位（单字）的， 还有48位（一个半字）的。Pentium系列机，指令格式也是 可变的：有8位、16位、32位、64位不等。计算机组成原理4.2.2 操作码格式指令的操作码OP表示指令应进行什么性质的操作。操作码的位数决定了该操作类型的多少。 操作码字段不同的编码表示不同的操作。 操作码大致有以下两种：1.定长操作码：该操作码的位数与位置固定，通 常占据指令最前面的几位。特点：便于硬件设计和指令译码时间短

7、。该方式广泛用于字长较长的、大中型计算机和小型 计 算机以及RISC中。 例如：IBM370和VAX-11系列机 ，操作码长度均为8位。 计算机组成原理4.2 指令格式2、扩展操作码对于操作码长度不固定的指令，其操作码分散在指令 的不同字段中。这种格式可有效地压缩操作码的平均长度 ，在字长较短的微 型机中广泛采用。例如PDP-11、 Intel8086/80386等，操作码的长度是可变的。操作码长度可变使控制器设计复杂化。通常采用扩展 操作码技术，使操作码的长度随地址数的减少而增加，不 同地址数的指令可以有不同的操作码，从而有效的缩短指 令字长。计算机组成原理4.2 指令格式2、扩展操作码设某

8、机器的指令长度为16位，有4位基本的操作 码字段和两个6位地址码字段，其格式如下：OP A1 A215 12 11 6 5 0计算机组成原理4.2 指令格式.二地址指令只用15条，由4位基本操作码0000- 1110组合给出，剩余一个1111用于把操作码扩展 到A1。 .单地址指令由操作码1111 000000-1111 111110给出， 剩余一个1111 111111用于把操作码扩展到A2。 .零地址的16位操作码由 1111 111111 000000-1111 111111 111111给出 。二地址指令有15条，单地址指令有63条，零地址 指令有64条，共计142条指令。计算机组成原

9、理4.2 指令格式4.2.3 地址结构根据指令中地址数的多少可分为几地址指令。 一般的操作数有被操作数、操作数及操作结果这 三种数，因而就形成了三地址指令格式。现在又 发展成为二地址格式、一地址格式和零地址格式 。 零地址格式：只有操作码，没有地址码。如停机 指令。 一地址指令：只有一个地址码，另一个操作数地 址隐含指定，如累加器AC。(AC)OP(A) AC计算机组成原理4.2 指令格式4.2.3 地址结构二地址格式：它有两个操作数地址字段A1和A2。(A1)OP(A2) A1三地址格式：它有三个操作数地址字段A1、A2和 A3。 (A1)OP(A2) A3计算机组成原理4.2 指令格式4.

10、2.3 地址结构 从操作数的物理位置来说，又可分为三种类型： 第一种：访问内存的指令格式，存贮器存贮器SS型 第二种：访问寄存器的指令格式，寄存器寄存器RR型 第三种：寄存器存贮器RS型请问哪种速度最快？哪种最慢？RR型最快，SS型最慢，计算机组成原理4.2 指令格式4.2.4 指令助记符由于硬件只能识别1和0，所以采用二进制操作 码是必要的，但书写程序十分麻烦。为了便于书写和阅读程序，每条指令通常用几 个英文缩写字母来表示，可以望文生义，这种缩 写码叫指令助记符。例如：ADD 001SUB 010MOV 011计算机组成原理4.2 指令格式 指令格式举例 不同的机器有不同的指令格式 1、IB

11、M370的指令格式。IBM370曾经是大型机的重要代表，它根据操作 数的不同来源，分为:RR（寄存器寄存器）型；RS（寄存器存贮器）型；RX（寄存器变址存贮器）型；SI（寄存器立即数）型；SS（存贮器存贮器）型；指令字长度可变，但操作码长度不变。相应地 设置了5种主要的指令格式如下： 计算机组成原理4.2 指令格式RR格式2 6 4 400 OP Ri RjRX格式2 6 4 4 4 1201 OP Ri Rx Rb D计算机组成原理4.2 指令格式RS格式2 6 4 4 4 1210 OP Ri Rj Rb DSI格式2 6 8 4 1210 OP I Rb D计算机组成原理4.2 指令格式

12、SI格式2 6 8 4 12 4 1211 OP L Rb1 D1 Rb2 D2 上图中，Ri，Rj为16个通用寄存器中的任意两个寄存器号，分别用4位字段表示 。 Rx为变址寄存器号 Rb为基址寄存器号 D为位移量，占12位 I为立即数，占8位 L可以是一个8位字段或两个4位字段，用来指定一个或两个操作数的长度。计算机组成原理4.2 指令格式2、PDP-11指令格式PDP-11曾是16位机的典型代表，其指令的 基本字长为16位，但根据不同的寻址方式， 在16位指令字之后还可以跟24字节的存贮 器地址，采用了扩展操作码的方法。下面介 绍了几种16位的指令字格式。 计算机组成原理4.2 指令格式1

13、5 12 11 9 8 6 5 3 2 0 操作码 寻址方式 寄存器号 寻址方式 寄存器 号15 9 8 6 5 3 2 0 操 作 码 寄存器号 寻址方式 寄存器 号15 9 8 6 5 3 2 0 操 作 码 寄存器号 寻址方 式 计算机组成原理4.2 指令格式15 87 0 操 作 码 位移量15 5 4 0 操 作 码 条件码计算机组成原理4.2 指令格式例1 指令格式如下所示，其中OP为操作码， 试分析指令格式的特点。 15 9 7 4 3 0OP - 源寄存器 目标寄存器 解：(1)单字长二地址指令。 (2)操作码字段OP可以指定128条指令。 (3)源寄存器和目标寄存器都是通用寄存器（可 分别指定16个），所以是RR型指令，两个操作数 均在寄存器中。(4)这种指令结构常用于算术逻辑运算类指令。 计算机组成原理4.2 指令格式例2 指令格式如下所示，OP为操作码字段，试分 析指令格式特点。15 10 7 4 3 0 OP -