计算机组成原理课件第4章

《计算机组成原理课件第4章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算机组成原理课件第4章（61页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第四章 指令系统,主讲教师 庄春兴,下午11时51分,2,本章主要内容,4.1 指令系统的发展和性能要求 4.2 指令格式 4.3 指令和数据的寻址方式 4.4 堆栈寻址方式 4.5 典型指令,下午11时51分,3,指令系统基本概念,机器指令（指令） 计算机能直接识别、执行的某种操作命令。 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。 程序 是解决某一实际问题的指令序列 指令系统（指令集） 一台计算机中所有机器指令的集合。 机器硬件设计的依据，也是软件设计的基础

2、。 硬件和软件间的界面，直接影响计算机系统性能,下午11时51分,4,系列计算机,指基本指令系统相同、基本体系结构相同的一系列计算机。 IBM，PDP-11，VAX-11，ARM，Intel-x86, Pentium 系列计算机主要是解决软件兼容的问题。新计算机中必须包含老计算机的指令系统，保证软件向上兼容，保护用户投资。,下午11时51分,5,RISC 与 CISC,CISC(复杂指令系统计算机) Complex Instruction System Computer 指令数量多(多达几百条)，指令功能，复杂的计算机。 难以保证正确性，不易调试维护，造成硬件资源浪费 RISC(精简指令系统计

3、算机) Reduced Instruction System Computer 指令数量少，指令功能单一的计算机。,下午11时51分,6,4.1.2 对指令系统性能的要求,完备性：指令丰富，功能齐全，使用方便。 有效性：程序占空间小，执行速度快。 规整性： 对称性(所有寄存器、存储单元同等对待)、匀齐性（一种操作支持多种数据类型）： 指令格式和数据格式的一 致性（指令长度和数据长度通常是字节的整数倍）： 兼容性：系列机软件向上兼容,下午11时51分,7,高级语言（如C，FORTRAN等） 其语句和用法与具体机器的指令系统无关，易编程。 不能用于编写直接访问机器硬件资源的系统软件或设备控制软件

4、低级语言 机器语言（二进制语言） 汇编语言（符号语言） 面向机器的语言，和具体机器的指令系统密切相关。机器语言用指令代码编写程序，而符号语言用指令助记符来编写程序。 必须借助汇编程序或编译程序，把符号语言或高级语言翻译成二进制码组成的机器语言。,4.1.3 低级语言与硬件结构的关系,下午11时51分,8,4.2 指令格式,表示一条指令的机器字，称为指令字，简称指令。 指令格式：用二进制代码表示指令的结构形式。,下午11时51分,9,4.2.1 操作码(OP),操作码字段表征指令的操作特性与功能 指令系统中每一条指令对应一个操作码 操作码字段的位数取决于指令系统的规模 n=2L 定长指令、变长指

5、令（固定位数和可变位数）,下午11时51分,10,4.2.2 地址码(AC),地址码通常指定参与操作的操作数的地址或操作数本身 地址码包括被操作数，操作数，操作结果,二地址格式,三地址格式,一地址格式,零地址格式,下午11时51分,11,4.2.2 地址码(AC),(1)零地址指令两种情况： 不需要操作数，如空操作指令NOP； 隐含一个操作数位于累加器AC中。如十进制修正指令DAA。 (2)一地址指令有两种情况： 只需要一个操作数，如求反指令NOT； 需要两个操作数，但另一个操作数在累加寄存器AC中 (AC) OP (A) - AC,下午11时51分,12,4.2.2 地址码(AC),(3)二

6、地址指令 (A1) OP (A2) - A1 (4)三地址指令 (A1) OP (A2) - A3 A1为被操作数地址，也称源操作数地址； A2为操作数地址，也称终点操作数地址； A3为存放结果的地址。 A1，A2，A3可以是内存中的单元地址，也可以是运算器中通用寄存器的地址。,下午11时51分,13,按操作数的物理位置分类,存储器存储器（SS）型 寄存器寄存器（RR）型 寄存器存储器（RS）型,下午11时51分,14,4.2.3 指令字长度,指令中包含二进制代码的位数 机器字长 计算机能直接处理的二进制数据的位数，它决定了计算机的运算精度 指令字长度与机器字的长度有关: 单字长,双字长,半字

7、长。 等长指令: 结构简单，控制线路简单。 变长指令: 结构灵活，充分利用指令长度，控制复杂,下午11时51分,15,指令字助记符,为了书写和阅读程序，每条指令通常用3个或4个英文缩写字母来表示。,表4.2 指令助记符举例,下午11时51分,16,4.2.5 指令格式举例,1. 八位微型计算机的指令格式 8位微型机字长只有8位，指令结构是一种可变字长形式，包含单字长、双字长、三字长指令等多种。,单字长指令,双字长指令,三字长指令,下午11时51分,17,4.2.5 指令格式举例,2. PDP/11系列机指令格式,操作码字段是不固定，长度不相同。这样做可以扩展操作码以包含较多的指令。但是操作码字

8、段不固定，对控制器的设计来说必将复杂化,下午11时51分,18,4. ARM指令格式,下午11时51分,19,4.2.5 指令格式举例,4. pentium指令格式,pentium机的指令字长度是可变的：从字节到12字节，还可以带前缀，指令格式如下所示。 0或1 0或1 0或1 0或1(字节数),1或2 0或1 0或1 0,1,2,4 0,1,2,4(字节数),2位 3位 3位 2位 3位 3位,下午11时51分,20,指令格式分析,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 8 7 4 3 0,解： (1)单字长二地址指令。 (2)操作码字段OP可以指定128

9、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。,下午11时51分,21,指令格式分析,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,解： (1)双字长二地址指令，用于访问存储器。 (2)操作码字段OP为6位，可以指定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（由变址寄存器和位移量决定）所以是RS型指令。,15 10 7 4 3 0,下午11时51分,22,4.3 指令和数据的寻址方式,在存储器中，操作数或指令字写入或读出的方式，有地

10、址指定方式、相联存储方式和堆栈存取方式。 当采用地址指定方式时，寻找指令或操作数有效地址的方式 指令寻址 顺序寻址 跳跃寻址 操作数寻址,下午11时51分,23,1. 顺序寻址方式 （PC）1 PC,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。 PC存放下一条指令的地址,下午11时51分,24,跳跃寻址 目标地址PC,当程序中出现分支或循环时

11、，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。,下午11时51分,25,跳跃寻址过程,IR,100,JMP 103,MOV AX,BX,PC,内存,100,101,102,103,+1,JMP 103,指令寄存器IR,MOV AX,BX,103,下午11时51分,26,4.3.2 操作数的寻址方式,形成操作数有效地址的方法。 例如，一种单地址指令的结构如下所示，其中用X，I，D各字段组成该指令的操作数地址。 寻址过程就是把操作数的形式

12、地址，变换为操作数的有效地址的过程。 实际有效地址为E, 实际操作数S S= (E),下午11时51分,27,隐含寻址,在指令中不明显的给出而是隐含着操作数的地址 例如，单地址的指令格式，没有在地址字段中指明第二操作数地址，而是规定累加寄存器AC作为第二操作数地址，AC对单地址指令格式来说是隐含地址。,下午11时51分,28,立即寻址,指令的地址字段指出的不是操作数的地址，而是操作数本身 这种方式的特点是指令执行时间很短，不需要访问内存取数,例如：单地址的移位指令格式为,这里D不是地址，而是一个操作数。F为标志位，当F1，操作数进行右移；当F0时，操作数进行左移。,下午11时51分,29,直接

13、寻址特点是：在指令格式的地址字段中直接指出操作数在内存的地址D。 采用直接寻址方式时，指令字中的形式地址D就是操作数的有效地址E，既ED。因此通常把形式地址D又称为直接地址。此时，由寻址模式给予指示。 如果用S表示操作数，那么直接寻址的逻辑表达式为 S（E）（D）,直接寻址,下午11时51分,30,间接寻址的情况下，指令地址字段中的形式地址D不是操作数的真正地址，而是操作数地址的指示器，D单元的内容才是操作数的有效地址 如果把直接寻址和间接寻址结合起来，指令有如下形式：,寻址特征位I0，表示直接寻址，这时有效地址ED； I1，表示间接寻址，这时有效地址E(D)。,间接寻址,下午11时51分,3

14、1,寄存器寻址方式和寄存器间接寻址方式,寄存器寻址 操作数在CPU的内部寄存器中. 寄存器间接寻址 指令格式中的寄存器内容不是操作数，而是操作数的地址，该地址指明的操作数在内存中,下午11时51分,32,相对寻址是把程序计数器PC的内容加上指令格式中的形式地址D而形成操作数的有效地址。 采用相对寻址方式的好处是程序员无须用指令的绝对地址编程，所编程序可以放在内存任何地方。 此时形式地址D通常称为偏移量，其值可正可负，相对于当前指令地址进行浮动。,相对寻址方式,下午11时51分,33,基址寻址方式是将CPU中基址寄存器的内容加上指令格式中的形式地址而形成操作数的有效地址。 优点是可以扩大寻址能力

15、。,基址寻址方式,下午11时51分,34,变址寻址方式 变址寻址方式与基址寻址方式计算有效地址的方法很相似，它把CPU中某个变址寄存器的内容与偏移量D相加来形成操作数有效地址。 但使用变址寻址方式的目的不在于扩大寻址空间，而在于实现程序块的规律性变化。 块寻址方式 块寻址方式经常用在输入输出指令中，以实现外存储器或外围设备同内存之间的数据块传送。块寻址方式在内存中还可用于数据块搬家。 块寻址时，通常在指令中指出数据块的起始地址（首地址）和数据块的长度（字数或字节数）。 如果数据块是变长的，可用三种方法指出它的长度： (1)指令中划出字段指出长度； (2)指令格式中指出数据块的首地址与末地址；

16、(3)由块结束字符指出数据块长度。,下午11时51分,35,段寻址,Intel 8086/8088微机中，ALU16位运算，但其寻址范围可到1M，即地址有20位。 实质是基值寻址。,4位,16位逻辑地址,16位段寄存器,20位物理地址,ALU,下午11时51分,36,例3 一种二地址RS型指令的结构如下所示： 6位 4位 1位 2位 16位,其中I为间接寻址标志位，X为寻址模式字段，D位偏移量字段。通过I，X，D的组合，可构成下表所示的寻址方式。 请写出六种寻址方式的名称。,解：直接寻址 相对寻址 变址寻址 寄存器间接寻址 间接寻址 基址寻址,下午11时51分,37,例：某16位机器所使用的指令格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