白中英计算机组成原理第4章-指令系统

第4章指令系统2020年10月23日星期五2目录4.1指令系统的发展与性能要求4.2指令格式4.3操作数类型4.4指令和数据的寻址方式4.5典型指令4.6本章练习题2020年10月23日星期五3考研计算机统考大纲要求（一）指令格式1.指令的基本格式2.定长操作码指令格式3.扩展操作码指令格式（二）指令的寻址方式1.有效地址的概念2.数据寻址和指令寻址3.常见寻址方式（三）CISC和RISC的基本概念2020年10月23日星期五44.1指令系统的发展和性能要求4.1.1指令系统的发展4.1.2对指令系统性能的要求4.1.3低级语言与硬件结构的关系2020年10月23日星期五54.1.1指令系统的发展程序——用于解决实际问题的一系列的指令;指令——使计算机执行某种操作的命令；从组成的层次结构来说，计算机的指令可分为如下3类：微指令：微程序级的命令，它属于硬件；机器指令（指令）：可完成一个独立的算术或逻辑运算；宏指令：由若干条机器指令组成的软件指令，它属于软件；指令系统：一台计算机中所有机器指令的集合。直接影响机器的硬件结构、软件系统、以及机器的适用范围。2020年10月23日星期五6计算机指令系统的发展过程50年代只有定点加减、逻辑运算、数据传送、转移等十几至几十条指令。60年代后期增加了乘除运算、浮点运算、十进制运算、字符串处理等指令，指令数目多达一二百条，寻址方式也趋多样化。出现了系列计算机。70年代末期复杂指令系统计算机(CISC)、精简指令系统计算机(RISC)2020年10月23日星期五7系列计算机基本指令系统、基本体系结构相同的一系列计算机；但具体的器件、结构和性能都不会完全相同；一般，新机种在各方面要优于旧机种。一个系列往往有多种型号，各型号计算机的指令系统是向下兼容的。新机种的指令系统包含旧机种的全部指令；如Pentium系列PC机。2020年10月23日星期五8CISCCISC（complexinstructionsetcomputer）采用复杂的的指令系统，来达到增强计算机的功能、提高机器速度的目的。特点：1.指令系统复杂庞大，指令数目多；2.指令格式多，字长不固定，多种寻址方式；3.可访存指令不受限制；4.各种指令的执行时间相差很大；5.大都采用微程序控制器；2020年10月23日星期五9RISCRISC（Reducedinstructionsetcomputer）从简化指令系统和优化硬件设计的角度来提高系统的性能与速度。RISC指令系统的主要特点：1.选取使用频率高的简单指令；2.指令长度固定，指令格式少，寻址方式种类少；3.采用流水线技术；4.使用较多的通用寄存器，减少访存；5.控制器以组合逻辑控制为主；6.采用优化编译技术；2020年10月23日星期五10判断以下有关CISC和RISC的描述的正误A.采用RISC技术后，计算机的体系结构又回复到早期比较简单的情况；B.为了实现兼容，新设计的RISC，是从原来CISC系统的指令系统中挑选一部分实现的；C.RISC的主要目的是减少指令；D.RISC设有乘、除法指令和浮点运算指令；×√××2020年10月23日星期五114.1.2指令系统性能的要求指令系统的性能决定了计算机的基本功能，它的设计直接关系到计算机的硬件结构和用户的需要。一个完善的指令系统应满足如下四方面的要求完备性常用指令齐全，编程方便；有效性程序占用内存少，运行速度快；规整性指令和数据的使用规则统一，易学易记；兼容性同一系列的低档计算机的程序能够在新的高档计算机上运行。2020年10月23日星期五12指令系统的规整性要求规整性包括对称性、匀齐性、指令格式和数据格式的一致性三方面的要求。对称性所有的指令都可使用各种寻址方式；匀齐性一种操作性质的指令可以支持各种数据类型；指令格式和数据格式的一致性指令长度和数据长度有一定的关系，以方便处理和存取；2020年10月23日星期五134.1.3低级语言与硬件结构的关系低级语言：面向机器的语言，和具体机器的指令系统密切相关。高级语言与低级语言的比较如P116表4.1机器语言、汇编语言2020年10月23日星期五144.2指令格式4.2.1操作码4.2.2地址码4.2.3指令字长度4.2.4指令助记符4.2.5指令格式举例2020年10月23日星期五15指令的一般格式指令字（简称指令）表示一条指令的机器字。指令格式指令字用二进制代码表示的结构形式，由操作码字段和地址码字段组成。操作码字段：表征指令的操作特性与功能；地址码字段：通常指定参与操作的操作数的地址。操作码字段OP地址码字段A2020年10月23日星期五164.2.1操作码操作码字段的位数取决于指令系统的规模；操作码的类型：固定长度的操作码特征：所有指令长度均相同。优点：控制简单，速度快，适用于指令条数不多的场合。可变长度的操作码特征：频繁使用的指令用位数较少的操作码；不常使用的指令可利用操作码扩展技术进行扩展；优点：充分利用软硬件资源，适用于大规模的指令系统。操作码字段为4位，则指令系统中的指令数目为24=16条。2020年10月23日星期五174.2.2地址码（1/2）一条指令格式中有几个地址码字段，就称为是几地址指令；零地址指令①无任何操作数运算，如NOP、HALT等指令。②单操作数运算：隐含一个操作数，如Acc。OP(Acc)Acc一地址指令①单操作数运算：OP(A1)A1②双操作数运算：隐含一个操作数，如Acc(Acc)OP(A1)Acc/A1OPOPA1如INC指令如MUL指令如CBW指令2020年10月23日星期五184.2.2地址码（2/2）两地址指令功能：(A1)OP(A2)A1三地址指令功能：(A1)OP(A2)A3多地址指令（如四地址）这类指令功能强，一般用高档小型机或中大型机，用于实现成批数据处理，字符串处理、向量或矩阵运算指令等。OPA1A2A3OPA1A2如ADD、XOR等指令2020年10月23日星期五19存储器-存储器（SS）型指令A1、A2均为存储单元；这类指令的执行需要多次访存。寄存器-寄存器（RR）型指令A1、A2均为寄存器（通用寄存器、专用寄存器）；这类指令的执行不需要访存，因此速度很快。寄存器-存储器（RS）型指令A1、A2中一个为寄存器，一个为存储单元；执行此类指令时，既要访问内存单元，又要访问寄存器。两地址指令的分类根据操作数的物理位置分。OPA1A2哪种类型指令执行速度较快，哪种指令较慢？为什么？2020年10月23日星期五20指令的操作码扩展技术（补充）一个指令系统中若操作码长度固定且指令格式不同；指令格式如右：操作码字段长度取决于指令系统中的指令总数目；地址码较少的指令，编码浪费；操作码扩展对于不需要某个地址码的指令，把它们的操作码扩充到该地址字段；既充分利用指令字的各字段，又在不增加指令长度的情况下扩展操作码的长度。OPA1A2A3OPA1A2OPOPA1无用无用无用无用无用无用2020年10月23日星期五21设某指令长16位，包括4位基本操作码字段和3个4位地址码字段。①若全是三地址指令，则最多能有多少条指令？操作码为4位的，则指令条数为24=16。②若三地址指令需15条─┐两地址指令需15条│应如何安排？单地址指令需15条│零地址指令需16条─┘可使用操作码扩展技术，缩短固定操作码长度；操作码扩展举例（1/3）OPA1A2A32020年10月23日星期五220000A1A2A3......1110A1A2A311110000A1A2......11111110A1A2111111110000A1......111111111110A11111111111110000......111111111111111115条三地址指令15条二地址指令15条一地址指令16条零地址指令此指令系统共具有61条指令4位操作码8位操作码12位操作码16位操作码如果采用操作码扩展方法能否设计一个具有三地址指令15条，双地址指令12条，单地址指令31条以及零地址指令16条的指令系统？操作码扩展举例（2/3）2020年10月23日星期五230000A1A2A3......1110A1A2A311110000A1A2......11111011A1A2111111000000A1......111111011111A11111111000000000......111111100000111115条三地址指令12条二地址指令32条一地址指令16条零地址指令此指令系统共具有75条指令操作码扩展举例（3/3）4位操作码8位操作码12位操作码16位操作码2020年10月23日星期五24【例】某机指令字长32位，一个操作数地址为12位，有双地址码、单地址码、零地址码3种格式的指令。若采用扩展操作码的方式来设计指令，已知双地址码指令K条，单地址码指令L条，问零地址码指令有多少条？双地址码指令操作码长度为（32－12×2）＝8位；单地址码指令操作码长度为（32－12）＝20位；操作码的可扩展位为20－8＝12位。零地址码指令操作码长度为32位操作码的可扩展位为32－20＝12位。OP（8位）A1（12位）A2（12位）OP（8位）扩展操作码（12位）A2（12位）OP（8位）扩展操作码（12位）扩展操作码（12位）2020年10月23日星期五25【例】某机指令字长32位，一个操作数地址为12位，有双地址码、单地址码、零地址码3种格式的指令。若采用扩展操作码的方式来设计指令，已知双地址码指令K条，单地址码指令L条，问零地址码指令有多少条？由以上分析的指令格式，及题目可知：双地址码指令最多有28条；可用于扩展单地址码指令的编码有(28－K)个；单地址码指令最多有（28－K）×212条：可用于扩展零地址码指令的编码有[(28－K)×212－L]个；因此，零地址码指令最多有[（28－K）×212－L]×212条。2020年10月23日星期五26机器字长运算器一次能处理的二进制数的位数。机器指令的长度直接决定着CPU运算的精度和直接寻址能力的大小；指令字长一个指令字中包含二进制代码的位数；指令字长由操作码长度、操作数长度和个数共同决定。指令有半字长、单字长、双字长、多字长等不同的长度类型；指令系统可分为等长指令字结构、变长指令字结构两种。4.2.3指令字长度2020年10月23日星期五274.2.4指令助记符指令助记符使用3~4个英文缩写字母来表示的指令操作码。在不同的计算机中，指令助记符的规定是不一样的；指令助记符只是指令操作码字段的一种表示方法；机器内部保存的还是二进制代码形式的机器指令；由汇编或编译程序，将助记符翻译成机器代码。2020年10月23日星期五284.2.5指令格式举例（1/2）P110【例1】某16位系统中，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。①指令字长为_________，操作数的数目为____个。②该指令格式的指令最多可有_____条。③根据此二地址指令的操作数位置来看，属于____型指令。RS型、RR型、SS型④这种指令结构常用于_______________类指令。OP——源寄存器目的寄存器15987430单字长两128RR算术逻辑运算单字长二地址指令2020年10月23日星期五294.2.5指令格式举例（2/2）P110【例2】某16位系统中，指令格式如下所示，OP为操作码字段，试分析指令格式特点。①指令字长为_________，操作数的数目为____个。②操作码字段OP为____位，可以指定_____种操作。③一个操作数在源寄存器，该类寄存器共____个，另一个操作数在________中，所以该类指令是____型指令。存储单元中数据由变址寄存器和位移量共同决定其地址；双字