計算機組成原理第五章_指令系統(tǒng).ppt

第五章指令系統(tǒng) 學(xué)時 6學(xué)時重點 尋址方式和指令系統(tǒng) 概述指令系統(tǒng)操作數(shù)類型和存儲方式尋址方式 主要內(nèi)容 指令系統(tǒng)指令是指示計算機某種操作的命令 一臺計算機能執(zhí)行的全部指令的集合稱為指令系統(tǒng) 它決定了一臺計算機硬件的主要性能和基本功能 概述 機器指令的要素操作碼源操作數(shù)目的操作數(shù)下一條指令的引用指令的表示 概述 1 操作碼設(shè)計計算機時 對指令系統(tǒng)的每一條指令都要規(guī)定一個操作碼 指令操作碼表示該指令進行什么性質(zhì)的操作 2 地址碼根據(jù)一條指令中有幾個操作數(shù)地址 可將該指令稱為幾操作數(shù)指令或幾地址指令 目前 二地址指令和一地址指令用的最多 3 指令字長度一個指令字中包含二進制代碼的為數(shù) 稱為指令字長度 而機器字長是指計算機能直接處理的二進制數(shù)據(jù)的位數(shù) 它決定了計算機的運算精度 概述 指令操作碼的擴展方法指令操作碼通常有兩種編碼格式 一種是固定格式 即操作碼的長度固定 且集中放在指令字的一個字段中 這種格式對簡化硬件設(shè)計非常有利 在字長較長的大中型計算機中廣泛實用 另一種是可變格式 即操作碼的長度可變 且分散地放在指令字的不同字段 在字長較短的微型計算機和小型計算機中廣泛采用 操作碼長度可變使控制器設(shè)計復(fù)雜化 因此操作碼的編碼至關(guān)重要 通常在指令字中用一個固定長度的字段表示基本操作碼 而對于一部分不需要某個地址碼的指令 可將操作碼擴充到地址碼字段 這樣既能充分利用指令字的各個字段 又能在不增加指令長度的情況下擴展操作碼的長度 使它能表示更多的指令 概述 設(shè)某機器的指令長度為16位 有4位基本的操作碼字段和兩個6位地址碼字段 其格式如下 概述 151211650 二地址指令只用15條 由4位基本操作碼0000 1110組合給出 剩余一個1111用于把操作碼擴展到A1 單地址指令由操作碼1111000000 1111111110給出 剩余一個1111111111用于把操作碼擴展到A2 零地址的16位操作碼由1111111111000000 1111111111111111給出 二地址指令有15條 單地址指令有63條 零地址指令有64條 共計142條指令 概述 小端 大端次序及位序大端次序?qū)⒆罡哂行ё止?jié)存儲在最小地址位置小端次序?qū)⒆畹陀行ё止?jié)存儲在最小地址位置 操作數(shù)存儲的方式 采用大端次序的優(yōu)點 字符串排序方便十進制以及字符串的顯示方便順序一致性采用小端次序的優(yōu)點 整形數(shù)據(jù)地址轉(zhuǎn)換方便適合超長數(shù)據(jù)的算術(shù)運算 操作數(shù)的存儲方式 指令的尋址方式順序?qū)ぶ贩绞?按照指令在內(nèi)存的存放位置順序地取出指令 然后執(zhí)行的過程 為順序?qū)ぶ贩绞?跳躍尋址方式 程序轉(zhuǎn)移執(zhí)行的順序 指令和數(shù)據(jù)的尋址方式 操作數(shù)的尋址方式隱含尋址立即尋址直接尋址間接尋址寄存器尋址方式和寄存器間接尋址方式相對尋址方式基值尋址方式變址尋址方式塊尋址方式段尋址方式 指令和數(shù)據(jù)的尋址方式 隱含尋址這種類型的指令 不是明顯地給出操作數(shù)的地址 而是指令中隱含著操作數(shù)的地址 指令和數(shù)據(jù)的尋址方式 立即指令的地址字段指出的不是操作數(shù)的地址 而是操作數(shù)本身 這種尋址方式稱為立即尋址 立即尋址方式的特點是指令執(zhí)行時間很短 因為它不需要訪問內(nèi)存取數(shù) 從而節(jié)省了訪問內(nèi)存的時間 例如 單地址的移位指令格式為 指令和數(shù)據(jù)的尋址方式 這里 D不表示地址 而是表示某寄存器中存放的操作數(shù)需要移位的次數(shù) 因此D可看做移位指令的操作數(shù) F為標(biāo)志位 當(dāng)F 1時 進行右移 當(dāng)F 0時 進行左移 OP 移位 FD 寄存器尋址方式當(dāng)操作數(shù)不放在內(nèi)存中 而是放在中央處理器的通用寄存器中時 可采用寄存器尋址方式 顯然 此時指令中給出的操作數(shù)地址不是內(nèi)存的地址單元號 而是通用寄存器的編號 在IBM370計算機的指令結(jié)構(gòu)中 RR型指令 就是采用寄存器尋址方式 指令和數(shù)據(jù)的尋址方式 直接尋址直接尋址是一種基本的尋址方法 其特點是 在指令格式的地址字段中直接指出操作數(shù)在內(nèi)存的地址D 由于操作數(shù)的地址直接給出而不需要經(jīng)過某種變換或運算 所以稱這種尋址方式為直接尋址方式 指令和數(shù)據(jù)的尋址方式 操作數(shù) 2000H 1350H 間接尋址間接尋址是相對于直接尋址而言的 在間接尋址的情況下 指令地址字段中的形式地址D不是操作數(shù)的真正地址 而是操作數(shù)地址的指示器 或者說D單元的內(nèi)容才是操作數(shù)的有效地址 指令和數(shù)據(jù)的尋址方式 指令和數(shù)據(jù)的尋址方式 操作數(shù) 1234H 1000H 2000H 相對尋址是把程序計數(shù)器PC的內(nèi)容加上指令格式中的形式地址D而形成操作數(shù)有效地址 程序計數(shù)器的內(nèi)容就是當(dāng)前指令的地址 因此 所謂 相對 尋址 就是相對于當(dāng)前指令地址而言 采用相對尋址方式的好處是程序員勿需用指令的絕對地址編程 因而所編程序可以放在內(nèi)存任何地方 指令和數(shù)據(jù)的尋址方式 指令和數(shù)據(jù)的尋址方式 PC 操作數(shù) 1234H 假設(shè)D 1000H PC 2000H 則有效地址 PC D 2000H 1000H 3000H操作數(shù) 3000H 1234H 3000H 變址和基值尋址方式變址尋址方式與基值尋址方式有點類似 它是把某個變址寄存器或基值寄存器的內(nèi)容 加上指令格式中的形式地址而形成操作數(shù)的有效地址 指令和數(shù)據(jù)的尋址方式 指令和數(shù)據(jù)的尋址方式 A 操作數(shù) 復(fù)合尋址方式復(fù)合尋址方式是把間接尋址方式同相對尋址方式或變址相結(jié)合而形成的尋址方式 它分為先間接方式與后間接方式兩種 1 變址間接式這種尋址方式是先把變址寄存器的內(nèi)容A和形式地址D相加得A D 然后間接尋址 求得操作數(shù)的有效地址 操作數(shù)的有效地址為E A D 指令和數(shù)據(jù)的尋址方式 指令和數(shù)據(jù)的尋址方式 A NS 操作數(shù) 假設(shè)變址寄存器A的值為0050H D 1000H 則有效地址 A D 0050H 1000H 2345H操作數(shù) 2000H 2345H 2 間接變址式這種尋址方式是先將形式地址取間接變換 D N然后把N和變址寄存器的內(nèi)容A相加 即得操作數(shù)的有效地址 操作數(shù)的有效地址表達式為E A D A N 指令和數(shù)據(jù)的尋址方式 假設(shè)變址寄存器A的值為0050H D 1000H 則有效地址 A D 0050H 1000H 0050 2000 2050H操作數(shù) 2050H 3456H 指令和數(shù)據(jù)的尋址方式 A 操作數(shù) 塊尋址 通常在指令中支出數(shù)據(jù)塊的起始地址和數(shù)據(jù)塊的長度 常用在輸入輸出指令中 指令和數(shù)據(jù)的尋址方式 段尋址以8086的段尋址為例 這種尋址方式的實質(zhì)是基值尋址 指令和數(shù)據(jù)的尋址方式 部分尋址方式的演示 指令和數(shù)據(jù)的尋址方式 指令和數(shù)據(jù)的尋址方式 指令和數(shù)據(jù)的尋址方式 指令長度位的分配影響尋址位決策的因素尋址方式的數(shù)目 操作數(shù)的數(shù)目 寄存器和存儲器的比較 寄存器組的數(shù)目 地址范圍 地址粒度等通常尋址位有兩種編碼方式 編碼在操作碼中 設(shè)置尋址方式描述符 指令和指令系統(tǒng) 變長編碼方式 重點目標(biāo)代碼大小 固定長度編碼方式 重點程序執(zhí)行性能 指令和指令系統(tǒng) 指令的設(shè)計 混合型編碼格式 指令和指令系統(tǒng) 指令的設(shè)計 數(shù)據(jù)傳送類指令算術(shù)運算類指令邏輯運算類指令程序控制類指令輸入輸出類指令字符串處理指令特權(quán)指令其他指令 指令和指令系統(tǒng) 常用的指令 一般的操作數(shù)類型大小選擇主要有 字節(jié) 半字 16位 單字 32位 和雙字 64位 指令和指令系統(tǒng) 指令的使用 指令和指令系統(tǒng) 指令的使用 指令和指令系統(tǒng) 指令的使用 CISC 復(fù)雜指令系統(tǒng)RISC 精簡指令系統(tǒng) CISC和RISC CISC的問題龐大的指令集紛繁復(fù)雜的尋址模式硬件實現(xiàn)復(fù)雜 硬件資源的利用率低 體系結(jié)構(gòu)設(shè)計的一個重要原則Makethecommoncasefast CISC和RISC 問題的提出 CISC和RISC 指令執(zhí)行的特點 CISC和RISC 指令執(zhí)行的特點 CISC和RISC 指令執(zhí)行的特點 為什么要大量采用寄存器公共子表達式消去法可以有效地降低一個表達式的計算量 同時 將公共子表達式的計算結(jié)果保存在一個寄存器中有助于降低表達式計算的訪存開銷 CISC和RISC 大寄存器文件的使用 基于編譯器的優(yōu)化 基于編譯器的優(yōu)化 CISC的理由減小代碼空間精簡指令集結(jié)構(gòu)的特征每周期一條指令寄存器 寄存器操作 Load Store類型結(jié)構(gòu) 簡單的尋址方式簡單的指令格式 精簡指令集結(jié)構(gòu) CSICvs RISC RISC流水線技術(shù) RISC指令集結(jié)構(gòu) DLX具有一個簡單的Load Store指令集 注重指令流水效率 簡化指令的譯碼 高效支持編譯器 最適合計算機體系結(jié)構(gòu)教學(xué)用的指令集結(jié)構(gòu) RISC流水線技術(shù) RISC流水線技術(shù) 32個32位的通用寄存器 GPRs 寄存器R0的內(nèi)容恒為全0 RISC流水線技術(shù) 32個32位浮點寄存器 FPRs 單精度浮點數(shù)表示和雙精度浮點數(shù)表示 寄存器尋址 立即值尋址 偏移尋址 寄存器間接尋址 存儲器地址寬度為32位 RISC流水線技術(shù) RISC流水線技術(shù) RISC流水線技術(shù) RISC流水線技術(shù) Load和St