计算机组成原理指令系统

1第三章指令系统CPU的主要工作是执行指令，指令是指挥计算机执行某些操作的命令，一台计算机所有指令的集合构成该计算机的指令系统。指令和指令系统是计算机最基本的概念.指令系统是计算机的主要属性，位于硬件和软件的交界面上，它既是硬件设计的依据，又是软件设计的基础。2本章主要内容指令格式操作码的扩展、地址结构的简化常见寻址方式的含义、特点指令的类型、特点3一、机器指令的格式一条指令就是机器语言的一个语句，由一组二进制代码来表示。一条指令由两部分构成：OPAddr操作码：指明指令的操作性质及功能。地址码：指明操作数的地址。一条指令必须有一个操作码，可能包含几个地址码。指令涉及指令长度、操作码结构、地址码结构等问题。41、指令长度指令长度是指一条指令中所包含的二进制代码的位数，它取决于操作码字段的长度、操作数地址的个数及长度。一般希望指令长度短一些。指令长度与机器字长没有固定的关系。指令长度可以等于机器字长，也可以大于或小于机器字长。在一个指令系统中，若所有指令的长度都相等，称为定长指令字结构；若各种指令的长度随指令功能不同而不同，称为变长指令字结构。52、操作码指令系统中的每一条指令都有一个唯一确定的操作码，指令不同，其操作码的编码也不同。通常，希望用尽可能短的操作码字段来表达全部的指令。指令操作码的编码可以分为定长编码和变长编码。6①定长编码这是一种最简单的编码方式，操作码的位数和位置固定，指令长度不固定。操作码的位数越多，所能表示的操作种类就越多。操作码不同涉及的操作数的个数不同，所以指令的长度随操作码而变化。例如，IBM370机就是采用这种定长操作码格式。IBM370机（字长32位）的指令可分为三种不同的长度，不论指令的长度有多少位，其中的操作码字段一律都是8位。7IBM370机的指令格式OPOPOPOPOPD2D1D1D2D2R1R1R1R2R2L1B1B2B2B2X2B1I28888844444444444881212121212RR型RX型RS型SI型SS型OP一样长，操作码译码器设计就简单多了。8②变长编码这是一种操作码长度不固定，而指令长度固定的设计方法。这种设计方法使操作码分散在指令字的不同位置上。PDP-11机（字长16位）的指令分为单字长、两字长、三字长三种，操作码字段占4～16位不等，可遍及整个指令长度。显然，操作码字段位数的不固定将增加指令译码的难度，使控制器的设计复杂化。但是，它有效地利用每个二进制位。9PDP-11机的指令格式OP不一样长，控制器设计变得难多了。10③指令操作码的扩展技术变长操作码常常采用扩展操作码的方法来设计。扩展思路：让操作数地址个数多的指令的操作码字段短些（如三地址指令），让操作数地址个数少的指令的操作码字段长些（如一或零地址指令）。假设某机器指令长16位，包括一个操作码字段和三个地址字段，其中操作码字段4位，每个地址字段也是4位。其格式如下：如果按照定长编码的方法，4位操作码字段最多只能表示16条不同的三地址指令。OPA1A2A31512118743011指令操作码的扩展技术（续）0000XXXXYYYYZZZZ1110XXXXYYYYZZZZ…15条三地址指令11110000XXXXYYYY11111110XXXXYYYY…15条二地址指令111111110000XXXX111111111110XXXX…15条一地址指令11111111111100001111111111111111…16条零地址指令扩展窗口扩展窗口扩展窗口123、地址码根据一条指令中有几个操作数地址，可将该指令称为几地址指令。一般的指令有被操作数、操作数以及操作结果这三个数，因而就形成了三地址指令格式，这也是早期计算机指令的基本格式。在三地址格式的基础上，后来又发展成了二地址格式、一地址格式和零地址格式。13三地址指令格式：执行的操作：(A1)OP(A2)→A3A1为被操作数地址，A2为操作数地址，A3为结果的存放地址。A1、A2、A3可以是内存单元地址，也可以是运算器中的通用寄存器。如果全是内存中的单元地址，则执行一条三地址指令至少需要访问4次主存。OPA1A2A314二地址指令格式：执行的操作：(A1)OP(A2)→A1A1为目的操作数地址，兼做存放结果的地址；A2为源操作数地址。（A1原先的值无需保存）A1、A2可以是内存中的单元地址，也可以是运算器中的通用寄存器。如果是内存中的单元地址，则执行一条二地址指令至少要访问4次主存.OPA1A215一地址指令格式：执行的操作：(AC)OP(A1)→AC这种指令以累加寄存器AC中的数为被操作数，指令中地址码字段所指明的数为操作数，操作结果又放回累加寄存器AC中（隐含约定AC）。A1可以是内存中的单元地址，也可以是运算器中的通用寄存器。如果是内存中的单元地址，则执行一条一地址指令至少需要访问2次主存。OPA1计算机中有许多寄存器其中有一个称为累加寄存器(AC)，存放操作数16零地址指令格式：零地址指令只有操作码，而没有地址码。例如下面的情况不需要地址码：指令不需要操作数，例如停机指令就没有操作数.操作数隐含约定在累加器AC中。操作数隐含指定在堆栈中，例如堆栈计算机，零地址指令的操作数从堆栈中获得。OP17简化地址结构与减少地址码字段的位数简化地址结构的途径：隐含约定地址PC代替指令中的后继指令地址结果存放在操作数地址操作数或结果约定在AC中约定所有地址的位置，如零地址指令减少地址码字段地位数的途径：采用隐含约定地址减少地址数，位数减少采用寄存器寻址、寄存器间接寻址，位数减少18按操作数的物理位置分类第一种是访问内存的指令格式，我们称这类指令为存储器—存储器型指令（SS）。这种指令操作时都涉及内存单元，参与操作的数都放在内存里。从内存单元取操作数，操作结果放回内存中。机器执行这种指令需要多次访问内存，执行速度慢。第二种是访问寄存器的指令格式，我们称这类指令为寄存器—寄存器型指令（RR）。机器执行这类指令过程中，需要多个通用寄存器和个别专用寄存器。从寄存器中取操作数，把结果放回寄存器，因此，不需要访问内存。机器执行寄存器—寄存器型指令的速度很快。第三种类型是寄存器—存储器型指令（RS）。执行此类指令既需要访问内存单元，又要访问寄存器。执行速度介于第一种和第二种之间。19二、指令和数据的寻址方式存储器既可以存放指令，又可以存放数据。当某指令或操作数存放在某个存储单元时，该存储单元的编号，就是该指令或操作数在存储器中的地址。所谓寻址就是寻找操作数的地址或下一条要执行的指令的地址，而形成操作数或指令地址的方式，称为寻址方式。寻址方式分为两类，即指令寻址方式和数据寻址方式。201、指令寻址方式寻找下一条将要执行的指令的地址称为指令寻址。指令寻址比较简单，它又可以细分为顺序寻址和跳跃寻址。21顺序寻址方式指令在内存中是顺序存放的，当执行一段程序时，通常是一条指令接一条指令地顺序执行。CPU顺序取出指令、执行指令的过程我们称为指令的顺序寻址方式。必须有一个跟踪程序执行顺序的措施，那就是程序计数器PC。程序计数器PC用来记录指令的顺序号，该顺序号是指令在内存中的地址。计算机中有许多寄存器其中有一个称为程序计数器(PC)，放指令地址22顺序寻址方式（续）下图是指令顺序寻址方式的示意图：程序启动时，由操作系统把程序的首地址放入程序计数器PC中。23跳跃寻址方式当程序转移执行的顺序时，指令的寻址就采用跳跃寻址方式。所谓跳跃，是指下条指令的地址不是由程序计数器给出，而是由转移指令给出。跳跃寻址时，转移地址形成方式有3种，直接寻址、间接寻址、相对寻址。它们与数据寻址方式中的直接寻址、间接寻址、和相对寻址完全相同，只不过寻找的不是操作数的有效地址而是转移的有效地址，具体内容将在数据寻址中详细介绍。采用指令跳跃寻址方式，可以实现程序转移和公共程序调用等功能。例如，指令系统的各种条件转移或无条件转移指令，就是采用跳跃寻址实现程序转移。24跳跃寻址方式（续）下图是指令跳跃寻址的示意图：252、数据寻址方式根据指令中地址码字段的内容（形式地址）形成操作数有效地址的方式，称为数据寻址方式。形式地址A有效地址EA数据寻址方式的种类很多，但其最终目的是寻找所需要的操作数。寻址方式与操作数可能存放的地方有直接关系。寻址方式26操作数可能存放的地方操作数可能存在的地方有：操作数包含在指令中。操作数在CPU的某个寄存器中。操作数在主存中。操作数在堆栈中。操作数在某个输入/输出端口中。由于各种机器的结构不同、数据的来源不同，从而形成了各种不同的数据寻址方式。下面介绍一些比较典型而且常用的寻址方式。27隐含寻址这类型指令，不是明显地给出操作数的地址，而是在指令中隐含着操作数的地址，即采用隐含约定的方式实现寻址。例如，单地址指令格式：ADDAddr明显给出的只是第一操作数的地址Addr，该地址中的数据跟谁加？约定累加器AC为第二操作数地址，它并不出现在指令的地址码字段中。因此，累加器AC对单地址指令格式来说是隐含地址。28立即寻址指令的地址码字段给出的不是操作数的地址，而是操作数本身，这种寻址方式称为立即寻址。例如：MOVCX，8中，8的寻址方式就是立即寻址方式，8称为立即数。立即寻址指令的执行时间很短，因为数据包含在指令中，指令和操作数同时取出，不需要再次访问内存。在程序执行过程中，立即数不能被修改，灵活性差；一般用来提供初始值。29直接寻址指令中地址字段直接给出操作数的有效地址，形式地址就是有效地址。这种寻址方式称为直接寻址方式。直接寻址方式给出的地址是绝对地址，也叫绝对寻址方式。操作数S=(A)这种寻址方式不需要寻址运算，便于硬件实现，但地址空间有限。形式地址=有效地址30间接寻址间接寻址意味着指令中给出的地址A不是操作数的地址，而是存放操作数地址的主存单元的地址，简称操作数地址的地址。通常在指令格式中划出一位作为直接或间接寻址的标志位。操作数S=((A))该寻址方式是早期计算机经常采用的寻址方式，由于两次访存，影响指令执行速度，但能够用同一条指令指向不同的主存单元。原来是地址的地址…31寄存器寻址寄存器寻址指令的地址码给出的是CPU中通用寄存器的编号，该编号指定的寄存器里存放着操作数。操作数S=(Ri)特点：1、从寄存器取数比从内存取数要快；2、表示寄存器的地址码字段比表示内存地址的地址码字段要短.32寄存器间接寻址指令中的地址码给出某一通用寄存器的编号，该编号指定的寄存器中存放着操作数的有效地址，而操作数存放在内存单元中。间接寻址需要特征位来指明。操作数S=((Ri))指令较短，只需一次访存，比间接寻址要快。寄存器里放有效地址33相对寻址把程序计数器PC的内容加上指令中形式地址D，而形成操作数的有效地址，这种寻址方式为相对寻址。相对寻址需要特征位给予指示。形式地址Ｄ常称为偏移量，这个偏移量可以是正数，也可以是负数。采用相对寻址的好处在于，操作数的地址与指令地址总是差一个固定的值，因而所编写的程序是浮动的，可以放在内存的任何地方执行而不需修改，解决了程序运行时的再定位问题。有效地址EA的计算为：EA=(PC)+D浮动程序在内存任何地方都能运行！34基址寻址基址寄存器Rb的内容与指令中给出的形式地址D相加，形成操作数有效地址，这种寻址方式称为基址寻址。基址寻址需要特征位给予指示.基址寄存器的内容称为基址值。指令地址码字段给出一个偏移量，偏移量可正、可负。有效地址的计算：EA=(Rb)+D1、基址寻址面向系统，用于逻辑地址和物理地址的变换，以解决程序在内存中的再定位和扩大寻址空间的问题；2、对用户而言，基址寻址中基址寄存器提供基准值、是固定的；而形式地址为偏移量、是可变的。3、如多用户管理。计算机中有许多寄存器其中有的用作基址寄存器(Rb)，存放基址值。35变址寻址变址寻址是把CPU中的变址寄存器