计算机组成原理18-指令系统03

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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（10种） 7.4、指令的类型与功能（6类） 7.5、RISC和CISC 的比较在一个有限的存储空间里，对于任何可解的问题， 编制计算程序时，指令系统提供的指令足够使用。指令系统的完备性7.4、指令的类型与功能一台计算机包含一些什么类型的指令？涉及到指令系统的完备性。如果一台计算机

2、的指令系统不完备，就无法编出完整的程序。指令系统的完备性是指在一个有限的存储空间里，对于任何可 解决的问题，编制程序时，指令系统提供的指令足够使用！一般归结为六大类指令。1）数据传送类指令功能：实现将数据从源地址传送到目的地址，且源地址中数据不变。1、传送：从一个地方传送到另一个地方；2、复制：传送是以复制的方式。 传送范围：寄存器 R - 寄存器 R，存储器 M - 寄存器 R，存储器 M - 存储器 M传送单位：按字节、字、字符串、数据块等MOV AL, BL（字节） MOV AX, BX（字）MOV SB （字符串） REP MOVSB（数据块）传送数据取值：原值传送，取补，取反，零值传

3、送主要包括：取数指令、存数指令、传送指令、成组传送指令、字节交换指令、清累加器指令、堆栈操作指令等等。7.4、指令的类型与功能功能设置 考虑问题2）算术运算类指令功能：实现各种算术运算（大型机中有向量运算指令，直接对整个向量或矩阵进行求和、求积运算）。主要包括：二进制定点加、减、乘、除指令，浮点加、减、乘、除指令，求反、求补指令，算术移位指令，算术比较指令，十进制加、减运算指令等。指令举例： ADD 加法（最基本指令） SUB 减法（最基本指令）MUL 乘法 DIV 除法NEG 求补 ABS 求绝对值INC +1 DEC - 17.4、指令的类型与功能功能设置考虑问题（在算术运算中讲过的问题都

4、要考虑）： 二 / 十进制运算；定点 / 浮点运算；整数 / 小数运算；是否规格化； 固定字长 / 变字长运算；半字长 / 全字长 / 双字长运算 等等。3）逻辑运算类指令功能：把一个数据字看做是一个位数组，分别处理每一位。主要包括：逻辑加、逻辑乘、按位加、逻辑移位等指令，移位指令用来对寄存器的内容实现左移、右移或循环移位。指令举例： AND 与 OR 或 COM 非（求反） EOR 异或7.4、指令的类型与功能设置功能设置考虑问题：不同指令的功能设置与逻辑运算规律有关系。4）移位类指令功能：实现逻辑移位，循环移位，算术移位。主要包括：算术右移，算术左移，逻辑右移，逻辑左移，循环右移，循环左移

5、功能设置考虑问题： 数据格式：字符移位，字移位 移位参数：移动一位的次数与移动方向 被移动的寄存器地址 补位的方法。指令举例：SHL AL,1 寄存器AL左移1位MOV DL,5SHL AL,DL 寄存器AL左移5位7.4、指令的类型与功能设置5）程序控制（转移）类指令功能：实现控制程序的执行顺序和选择程序的运行方向。它是计算机的智能机构，设置较为复杂。程序执行的三大结构：顺序、分支、循环 顺序：PC+1；分支：分支点（必须设置比较测试指令 与 条件转移指令）汇合点（必须设置无条件转移指令）；循环：循环次数已知（计数跳指令LOOP） 循环次数未知7.4、指令的类型与功能设置A=B?执行A执行A

6、分支点汇合点调用子程序：主程序调用子程序时，重点考虑主程序与子程序的链接。子程序是一个公共程序，主程序可以在任意一地址调用它，设置一条无条件转移指令转向子程序 的入口地址就可以了，但是从子程序返回主程序地址时设置返回指令。转移地址可以通过链接寄存器，或堆栈进行操作。利用堆栈可以实现子程序嵌套调用。7.4、指令的类型与功能设置6）输入输出指令 功能：控制输入输出设备的工作，完成计算机与输入输出设备之间的数据交换。根据不同的机器结构，功能设置方式不同：1）内存与辅存统一编制；2）辅存单独编址。7.4、指令的类型与功能设置第七章 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、7.2.2、操作码结构 7.3、指令的寻址方式（9种） 7.4、指令的类型与功能（6类） 7.5、RISC和CISC 的比较 系统指令 复杂庞大，各种指令使用频度相差大 指令 长度不固定、指令格式种类多、寻址方式多 访存 指令 不受限制 大多数指令需要 多个时钟周期 执行完毕 采用 微程序 控制器 CPU 中设设有 专用寄存器 难难以 用 优化编译 生成高效的目的代码 7.5、RISC和CISC 的比较 CISC 的主要特征 选用使用频度较高的一些 简单指令，复杂指令的功能由简单指令来组合 指令 长度固定、指令格式种类少、寻址方式少 只有 LOAD / STORE 指令访存 采用 流水技术 一

8、个时钟周期 内完成一条指令 采用 组合逻辑 控制器 CPU 中有多个 通用 寄存器 采用 优化 的 编译 程序 7.5、RISC和CISC 的比较 RISC 的主要特征7.5、RISC和CISC 的比较 1、RISC更能 充分利用 VLSI 芯片的面积2、RISC 更能 提高计算机运算速度指令数、指令格式、寻址方式少， 通用 寄存器多，采用 组合逻辑 ，便于实现 指令流水3、RISC 便于设计，可 降低成本，提高 可靠性4、RISC 有利于编译程序代码优化 5、RISC 不易 实现 指令系统兼容 RISC 相对 CISC 的优势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

9、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。Review: 指令系统指令：CPU的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？（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

10、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指令系统小结操作码地址码指令格式小结：固定长度 （IBM/PC）扩展长度 （PDP-11）交叉安排 （NOVA）四地址 三地址 二地址 单地址 零地址三种方案按操作数 个数划分指令系统小结寻址方式 操作数地址 操作数存放位置1）立即寻址 指令中 2）隐含寻址 隐含指定某寄存器号 特定寄存器3）直接寻址 存储单元地址 内存 4）寄存器直接寻址 寄存器号 寄存器5）间接寻址 存储单元地址存储单

11、元地址 内存 6）寄存器间接寻址 寄存器号存储单元地址 内存7）相对寻址PC + A（可变） 内存 8）基址寻址 基址寄存器 + A（可变） 内存 9）变址寻址 A + 变址寄存器（可变） 内存10）堆栈寻址 SP 堆栈指令系统小结一个较完善的指令系统应当包含： 数据传送类指令、 算术运算类指令、 逻辑运算类指令、 程序控制类指令、 I/O类指令、 系统控制类指令。 RISC指令系统是CISC指令系统的改进，它的最大特点是：1）指令条数少； 2）指令长度固定，指令格式和寻址种类少； 3）只有取数存数指令访问存储器；其余指令的操作均在寄存器之间进行。 指令系统小结例1）某16位机器所使用的指令格

12、式和寻址方式如下所示，该机有两个20位基址寄存器，四个16位变址寄存器，十六个16位通用寄存器，指令格式中的S（源），D（目标）都是通用寄存器，M是主存中的一个单元。三种指令的操作码分别是MOV（OPA H ） ，传送指令；STA（OP1B H ） ，写数指令；LDA（OP3C H ） ，读数指令。 考研题目精选要求： 分析三种指令的指令格式与寻址方式特点。解：第一种指令是单字长二地址指令，RR型；两操作数寻址均为：寄存器直接寻址；第二种指令是双字长二地址指令，RS型，一操作数寻址为：寄存器直接寻址；一操作数寻址为：基址寻址或变址寻址，第三种也是双字长二地址指令，RS型，一操作数寻址为：寄存器

13、直接寻址，一操作数寻址为：直接寻址。考研题目精选要求：CPU完成哪一种操作所花时间最短？哪一种所花时间最长？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？ 解： CPU完成第一种指令所花时间最短，因为是RR型指令，不需要访问 存储器。 第二种指令所花时间最长，因为是RS型指令，需要一次访存，同时要 进行寻址方式的变换运算（基址或变址），这也需要时间。 第二种指令的执行时间不会等于第三种指令，因为第三种指令虽然也 是一次访存，但节省了求有效地址运算的时间开销。考研题目精选要求：下列情况下每个十六进制指令字分别代表什么操作？其中如果有编码不正确，如何改正才能成为合法指令？(F0F1)H (

14、3CD2)H (2856)H （6FD6)H （1C2)H解：已知 MOV（OPA H 001010），STA（OP 1B H 011011），LDA（OP 3C H 111100）,将指令的十六进制格式转换成二进制代码，比较后可知： （F0F1）H （3CD2）H 指令代表LDA指令，编码正确，其含义是把主存（13CD2）H 地址单元的内容取至15号寄存器。1111 0000 1111 0001 0011 1100 1101 0010考研题目精选解：（2856）H 指令代表MOV指令，编码正确，含义是把6号源寄 存器的内容传送至5号目标寄存器。0010 1000 0101 0110 （6FD6）H 是单字长指令，一定是MOV指令，但编码错误，可 改正为（28D6）H0110 1111 1101 0110 0010 1011 1101 0110（1C2）H 是单字长指令，代表MOV指令，但编码错误，可改正 为（28C2）H 。0000 0001 1100 0010 0010 1001 1100 0010考研题目精选例2）某机器采用一地址格式的指令系统，允许直接和间接寻址。机器配备有如下寄存器，均为16位：ACC（累加器）， PC（程序计数器），MDR（数据缓冲寄存器）， MAR（地址寄存器），RX（变址寄存器），RB（基址寄存器）IR（指令寄存器）问：