計算機組成原理_指令系統(tǒng)

1、1第四章 指令系統(tǒng)4.1 指令系統(tǒng)的發(fā)展與性能要求4.2 指令格式與4.3 操作數(shù)類型4.4 指令和數(shù)據(jù)的尋址方式4.5 典型指令返回24.1 指令系統(tǒng)的發(fā)展與性能要求1、指令在計算機系統(tǒng)中的地位（1）是軟件和硬件分界面的一個主要標志 硬件設計人員采用各種手段實現(xiàn)它； 軟件設計人員則利用它編制各種各樣的系統(tǒng)軟件和應用軟件（2）是硬件設計人員和軟件設計人員之間的分界面，也是他們之間溝通的橋梁。34.1 指令系統(tǒng)的發(fā)展與性能要求2、指令系統(tǒng)基本概念 指令：就是要計算機執(zhí)行某種操作的命令。從計算機組成的層次結構來說，計算機的指令有微指令、機器指令和宏指令之分。微指令是微程序級的命令，它屬于硬件； 宏

2、指令：由若干條機器指令組成的軟件指令，它屬于軟件； 機器指令：介于微指令與宏指令之間，通常簡稱為指令，每一條指令可完成一個獨立的算術運算或邏輯運算操作。 本章所討論的指令，是機器指令。本章所討論的指令，是機器指令。 一臺計算機中所有機器指令的集合，稱為這臺計算機的指令系統(tǒng)。 指令系統(tǒng)是表征一臺計算機性能的重要因素，它的格式與功能不僅直接影響到機器的硬件結構，而且也直接影響到系統(tǒng)軟件，影響到機器的適用范圍44.1 指令系統(tǒng)的發(fā)展與性能要求3、發(fā)展情況復雜指令系統(tǒng)計算機，簡稱CISC。但是如此龐大的指令系統(tǒng)不但使計算機的研制周期變長，難以保證正確性，不易調(diào)試維護，而且由于采用了大量使用頻率很低的復

3、雜指令而造成硬件資源浪費。精簡指令系統(tǒng)計算機：簡稱RISC，人們又提出了便于VLSI技術實現(xiàn)的精簡指令系統(tǒng)計算機。54.1 指令系統(tǒng)的發(fā)展與性能要求4、為什么會出現(xiàn)CISC到RISC的轉(zhuǎn)變 2/8規(guī)則 控制器設計難度下降64.1 指令系統(tǒng)的發(fā)展與性能要求5、對指令系統(tǒng)的要求完備性：完備性：完備性是指用匯編語言編寫各種程序時，指令系統(tǒng)直接提供的指令足夠使用，而不必用軟件來實現(xiàn)。完備性要求指令系統(tǒng)豐富、功能齊全、使用方便。一臺計算機中最基本、必不可少的指令是不多的。許多指令可用最基本的指令編程來實現(xiàn)。例如，乘除運算指令、浮點運算指令可直接用硬件來實現(xiàn)，也可用基本指令編寫的程序來實現(xiàn)。采用硬件指令的

4、目的是提高程序執(zhí)行速度，便于用戶編寫程序。有效性：有效性：有效性是指利用該指令系統(tǒng)所編寫的程序能夠高效率地運行。高效率主要表現(xiàn)在程序占據(jù)存儲空間小、執(zhí)行速度快。一般來說，一個功能更強、更完善的指令系統(tǒng)，必定有更好的有效性。規(guī)整性：規(guī)整性：規(guī)整性包括指令系統(tǒng)的對稱性、勻齊性、指令格式和數(shù)據(jù)格式的一致性。對稱性是指：在指令系統(tǒng)中所有的寄存器和存儲器單元都可同等對待，所有的指令都可使用各種尋址方式；勻齊性是指：一種操作性質(zhì)的指令可以支持各種數(shù)據(jù)類型，如算術運算指令可支持字節(jié)、字、雙字整數(shù)的運算，十進制數(shù)運算和單、雙精度浮點數(shù)運算等；指令格式和數(shù)據(jù)格式的一致性是指：指令長度和數(shù)據(jù)長度有一定的關系，以方

5、便處理和存取。例如指令長度和數(shù)據(jù)長度通常是字節(jié)長度的整數(shù)倍。兼容性：兼容性：系列機各機種之間具有相同的基本結構和共同的基本指令集，因而指令系統(tǒng)是兼容的，即各機種上基本軟件可以通用。但由于不同機種推出的時間不同，在結構和性能上有差異，做到所有軟件都完全兼容是不可能的，只能做到“向上兼容”，即低檔機上運行的軟件可以在高檔機上運行。74.1 指令系統(tǒng)的發(fā)展與性能要求6、低級語言與高級語言關系比較內(nèi)容高級語言低級語言1對程序員的訓練要求(1)通用算法(2)語言規(guī)則(3)硬件知識有較少不要有較多要2對機器獨立的程度獨立不獨立3編制程序的難易程度易難4編制程序所需時間短較長5程序執(zhí)行時間較長短6編譯過程中

6、對計算機資源的要求多少84.2 指令格式 影響計算機指令格式的因素 機器的字長 存儲器的容量 指令的功能 指令能反映以下信息 做什么操作 如果需要操作數(shù)，從哪里取 結果送哪里 下一條指令從哪里取 所以指令格式包括兩個方面：操作碼字段操作碼字段地址碼字段地址碼字段94.2 指令格式 一、操作碼 設計計算機時，對指令系統(tǒng)的每一條指令都要規(guī)定一個操作碼。指令的操作碼OP表示該指令應進行什么性質(zhì)的操作，如進行加法、減法、乘法、除法、取數(shù)、存數(shù)等等。不同的指令用操作碼字段的不同編碼來表示，每一種編碼代表一種指令。 組成操作碼字段的位數(shù)一般取決于計算機指令系統(tǒng)的規(guī)模。較大的指令系統(tǒng)就需要更多的位數(shù)來表示每

7、條特定的指令。 等長（指令規(guī)整，譯碼簡單） 例如IBM 370機，該機字長32位，16個通用寄存器R0R15，共有183條指令；指令的長度可以分為16位、32位和48位等幾種，所有指令的操作碼都是8位固定長度。 固定長度編碼的主要缺點是：信息的冗余極大，使程序的總長度增加。10二、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。三地址指令二地址指令單地址指令零地址指令11二、地址碼 三地址指令 指令格式如下： 操作碼 第一操作數(shù)A1 第二操作數(shù)A2 結果A3 功能描述： (A1)(A2)A3 (PC) +1PC 這種格式雖然省去了一個地址，但指令長度仍比較長，所

8、以只在字長較長的大、中型機中使用，而小型、微型機中很少使用。12二、地址碼 二地址指令 其格式如下： 操作碼第一操作數(shù)A1第二操作數(shù)A2 功能描述： (A1)(A2)A1 (PC)+1PC 二地址指令在計算機中得到了廣泛的應用，但是在使用時有一點必須注意：指令執(zhí)行之后，A1中原存的內(nèi)容已經(jīng)被新的運算結果替換了。13二、地址碼 二地址地址根據(jù)操作數(shù)的物理位置分為： SS 存儲器-存儲器類型 RS 寄存器-存儲器類型 RR 寄存器-寄存器類型慢14二、地址碼 一地址指令 指令格式為： 操作碼 第一操作數(shù)A1 功能描述： (AC)(A1) A1 (PC)+1PC 單操作數(shù)運算指令，如“+1”、“-1

9、”、“求反” 指令中給出一個源操作數(shù)的地址15二、地址碼 零地址指令 其格式為： 操作碼“停機”、“空操作”、“清除”等控制類指令。16三、指令長度 概念 指令字長度（一個指令字包含二進制代碼的位數(shù)） 機器字長：計算機能直接處理的二進制數(shù)據(jù)的位數(shù)。 單字長指令 半字長指令 雙字長指令多字長指令多字長指令的優(yōu)缺點 優(yōu)點提供足夠的地址位來解決訪問內(nèi)存任何單元的尋址問題 ； 缺點必須兩次或多次訪問內(nèi)存以取出一整條指令，降低了CPU的運算速度，又占用了更多的存儲空間。 指令系統(tǒng)中指令采用等長指令等長指令的優(yōu)點：各種指令字長度是相等的，指令字結構簡單，且指令字長度是不變的 ； 采用非等長指令非等長指令的

10、的優(yōu)點：各種指令字長度隨指令功能而異，結構靈活，能充分利用指令長度，但指令的控制較復雜 。17五、指令助記符 由于硬件只能識別1和0，所以采用二進制操作碼是必要的，但是我們用二進制來書寫程序卻非常麻煩。 為了便于書寫和閱讀程序，每條指令通常用3個或4個英文縮寫字母來表示。這種縮寫碼叫做指令助記符用34個英文字母來表示操作碼，一般為英文縮寫不同的計算機系統(tǒng)，規(guī)定不一樣必須用匯編語言翻譯成二進制代碼18六、指令格式舉例 8位微型計算機的指令格式 如8088，字長8位，指令結構可變 包括單字長指令、雙字長指令和三字長指令 操作碼長度固定 PDP/11系列機的指令格式 字長16位 單字長指令 操作碼字

11、段不固定19七、 Pentium指令格式 指令長度可變，最短1個字節(jié)，最長12個字節(jié)，典型的CISC指令系統(tǒng) 由可選前綴（04）、操作碼（12）、一個由mod-R/M字節(jié)和一個SIB（Scale Index Base）比例變址字節(jié)組成的地址指定器、一個可選的位移量（04）和一個可選的立即數(shù)字段（04）構成。指令前綴段取代操作數(shù)長度取代地址長度取代操作碼ModReg或操作碼R/MSIB位移量立即數(shù)20七、 Pentium指令格式 指令前綴中的重復前綴指定串的重復操作，這樣使Pentium處理串比軟循環(huán)快得多。 LOCK前綴用于多CPU環(huán)境中對共享存儲器的排他性訪問 段取代用于改變默認段寄存器的情

12、況 操作數(shù)長度取代和地址長度取代用于在保護模式下決定操作數(shù)和指令的長度 以下4個指令前綴都是可選的，分別為0或1個字節(jié)指令前綴段取代操作數(shù)長度取代地址長度取代21七、 Pentium指令格式 操作碼是必須的，12個字節(jié) Mod、Reg、R/M為共1個字節(jié)，是可選的。 mod-R/M指定的操作數(shù)是在R中還是在M中。 mod（2位）R/M（3位）的32種值構成了8種寄存器方式和24種變址方式（參考匯編語言教材）； Reg或OP（3位）指定另一個操作數(shù)（寄存器）或用作OP的補充。操作碼ModReg或操作碼R/MSIB位移量立即數(shù)1個字節(jié)1個字節(jié)22七、 Pentium指令格式 S、I、B共1個字節(jié)，

13、分別是比例系數(shù)、變址寄存器號、基址寄存器號，可選。mod-R/M中的某些編碼要求SIB字節(jié)來完成尋址方式的指定； SS（2）指定比例變換的因子， Index（2）指定變址寄存器， Base（3）指定基址寄存器 位移量：可以是0，1，2，4個字節(jié) 立即數(shù)：可以是0，1，2，4個字節(jié)操作碼ModReg或操作碼R/MSIB位移量立即數(shù)234.3 操作數(shù)類型 操作數(shù)類型 地址數(shù)據(jù):地址實際上也是一種形式的數(shù)據(jù)。 數(shù)值數(shù)據(jù):計算機中普遍使用的三種類型的數(shù)值數(shù)據(jù)。 字符數(shù)據(jù):文本數(shù)據(jù)或字符串，目前廣泛使用ASCII碼。 邏輯數(shù)據(jù):一個單元中有幾位二進制bit項組成，每個bit的值可以是1或0。當數(shù)據(jù)以這種

14、方式看待時，稱為邏輯性數(shù)據(jù)。 Pentium數(shù)據(jù)類型(見P111表4.4) 常規(guī)數(shù)據(jù)類型 整數(shù)數(shù)據(jù)類型 .244.4 指令和數(shù)據(jù)的尋址方式 研究問題 確定本條指令中各操作數(shù)的地址 下一條指令的地址 尋址方式是指CPU根據(jù)指令中給出的地址碼字段尋找相應的操作數(shù)的方式，它與計算機硬件結構緊密相關，而且對指令的格式和功能有很大的影響。254.4 指令和數(shù)據(jù)的尋址方式 指令的尋址方式 順序方式 PC 跳躍方式264.4 指令和數(shù)據(jù)的尋址方式 操作數(shù)的尋址方式 形成操作數(shù)有效地址的方法，稱為尋址方式。 操作數(shù)通常放在哪兒呢？274.4 指令和數(shù)據(jù)的尋址方式 操作數(shù)包含在指令中； 操作數(shù)包含在CPU的某一

15、個內(nèi)部寄存器中； 操作數(shù)包含在主存儲器中； 操作數(shù)包含在I/O設備的端口中 根據(jù)操作數(shù)放在不同的地方，從而派生各種不同的尋址方式，往往不同的計算機具有不同的尋址方式。28291、隱含尋址 指令中隱含著操作數(shù)的地址 如某些運算，隱含了累加器AC作為源和目的寄存器 如8086匯編中的STC指令，設置標志寄存器的C為1 302、立即尋址 立即尋址是一種特殊的尋址方式，指令中在操作碼字段后面的部分不是通常意義上的操作數(shù)地址，而是操作數(shù)本身，也就是說數(shù)據(jù)就包含在指令中，只要取出指令，就取出了可以立即使用的操作數(shù)，因此，這樣的操作數(shù)被稱為立即數(shù)。 指令格式：操作碼 操作數(shù)A 312、立即尋址 特點：在取指

16、令時，操作碼和操作數(shù)被同時取出，不必再次訪問存儲器，從而提高了指令的執(zhí)行速度。 但是，因為操作數(shù)是指令的一部分，不能被修改； 而且對于定 長指令格式，操作數(shù)的大小將受到指令長度的限制，所以這種尋址方式靈活性最差 通常用于給某一寄存器或主存單元賦初值，或者用于提供一個常數(shù)。323、直接尋址直接尋址 指令中地址碼字段給出的地址A就是操作數(shù)的有效地址EA(Effective Address)，即EAA。333、直接尋址直接尋址 操作數(shù)地址是不能修改的，與程序本身所在的位置無關，所以又叫做絕對尋址方式 在早期的計算機中，主存儲器的容量較小，指令中地址碼的位數(shù)要求不長，采用直接尋址方式簡單快速，也便于硬

17、件實現(xiàn)，因此，常被作為主要的尋址方式。 但在現(xiàn)代，隨著計算機主存容量的不斷擴大，所需的地址碼將會越來越長。指令中地址碼的位數(shù)將不能滿足整個主存空間尋址的要求，因此直接尋址方式受到了很大的限制。另外，在指令的執(zhí)行過程中，為了取得操作數(shù)，必須進行訪存操作，降低了指令的執(zhí)行速度。344、間接尋址間接尋址 間接尋址意味著指令的地址碼部分給出的地址A不是操作數(shù)的地址，而是存放操作數(shù)地址的主存單元的地址，簡稱操作數(shù)地址的地址。操作數(shù)的有效地址的計算公式為：EA(A)354、間接尋址間接尋址 特點：因為操作數(shù)的有效地址在主存儲器中，可以被靈活的修改而不必修改指令，從而使間接尋址要比直接尋址靈活得多。但是，間

18、接尋址在指令執(zhí)行過程中至少需要兩次訪問主存儲器才能取出操作數(shù)，嚴重降低了指令執(zhí)行的速度。365、寄存器尋址、寄存器尋址 在指令的地址碼部分給出CPU內(nèi)某一通用寄存器的編號，指令的操作數(shù)存放在相應的寄存器中，即EA=Ri 優(yōu)點：(1)由于寄存器在CPU的內(nèi)部，指令在執(zhí)行時從寄存器中取操作數(shù)比訪問主存要快得多；(2)由于寄存器的數(shù)量較少，因此寄存器編號所占位數(shù)也較少，從而可以有效減少指令的地址碼字段的長度。376、寄存器間接尋址、寄存器間接尋址 為了克服間接尋址中多次訪存的缺點，可采用寄存器間接尋址，即將操作數(shù)放在主存儲器中，而操作數(shù)的地址放在某一通用寄存器中，然后在指令的地址碼部分給出該通用寄存

19、器的編號，這時有EA=(Ri)這種尋址方式的指令較短，并且在取指后只需一次訪存便可得到操作數(shù)，因此指令執(zhí)行速度較前述的間接尋址方式要快，也是目前在計算機中使用較為廣泛的一種尋址方式。387、相對尋址、相對尋址 由程序計數(shù)器由程序計數(shù)器PC提供基準地址，而指令的地址提供基準地址，而指令的地址碼部分給出相對的位移量碼部分給出相對的位移量D，兩者相加后作為，兩者相加后作為操作數(shù)的有效地址，即：操作數(shù)的有效地址，即：EA(PC)D。397、相對尋址、相對尋址 對尋址方式使程序模塊可采用浮動地址，編程時只要確定程序內(nèi)部操作數(shù)與指令之間的相對距離，而無需確定操作數(shù)在主存儲器中的絕對地址，這樣，將程序安排在

20、主存儲器的任意位置都不會影響程序執(zhí)行的正確性。408、基址尋址、基址尋址 在基址尋址方式中，指令的地址碼部分給出偏移量D，而基準地址放在基址寄存器Rb中，最后操作數(shù)的有效地址仍然是由基準地址A與偏移量D相加而成，即：EA(Rb)D。用哪一個寄存器作為基址寄存器也必須在硬件設計時就事先規(guī)定，基址寄存器Rb中的內(nèi)容稱為基準地址，該值可正可負。418、基址尋址、基址尋址 基址寄存器的位數(shù)可以設置得很長，從而可以在較大的存儲空間中尋址。429、變址尋址、變址尋址 變址尋址就是將指令的地址碼部分給出的基準地址A與CPU內(nèi)某特定的變址寄存器Rx中的內(nèi)容相加，以形成操作數(shù)的有效地址，即：EAA(Rx)。用哪

21、一個寄存器作為變址寄存器必須在硬件設計時就事先規(guī)定，變址寄存器Rx中的內(nèi)容稱為變址值，該值可正可負。439、變址尋址、變址尋址449、變址尋址、變址尋址 變址尋址方式是一種被廣泛采用的尋址方式，最典型的應用就是將指令的地址碼部分給出的地址A作為基準地址，而將變址寄存器Rx中的內(nèi)容作為修改量。在遇到需要頻繁修改操作數(shù)地址時，無須修改指令，只要修改Rx中的變址值就可以了，這對于數(shù)組運算、字符串操作等一些進行成批數(shù)據(jù)處理的指令是很有用的。4510、段尋址方式46尋址方式舉例： Pentium47Pentium尋址方式方式算法立即作數(shù)=A寄存器LA=R偏移量LA=(SR)+A基址LA=(SR)+(B)

22、基址帶偏移量LA=(SR)+(B)+A比例變址帶偏移量LA=(SR)+(I)S+A基址帶變址和偏移量LA=(SR)+(B)+(I)+A基址帶比例變址和偏移量LA=(SR)+(B)+(I)S+A相對LA=(PC)+A48P118例4 某16位機器所使用的指令格式和尋址方式如下所示，該機有兩個20位基址寄存器，四個16位變址寄存器，十六個16位通用寄存器。指令匯編格式中的S（源），D（目標）都是通用寄存器，M是主存中的一個單元。三種指令的操作碼分別是MOV（OP）=（A）H，STO（OP）=（1B）H，LAD（OP）=（3C）H。MOV是傳送指令，STO為存數(shù)指令，LAD為取數(shù)指令。要求：（1）分

23、析三種指令的指令格式與尋址方式特點。（2）CPU完成哪一種操作所花時間最短?哪一種操作所花時間最長?第二種指令的執(zhí)行時間有時會等于第三種指令的執(zhí)行時間嗎?（3）下列情況下每個十六進制指令字分別代表什么操作?其中如果有編碼不正確，如何改正才能成為合法指令?49P118例4 F0F1 3CD21111 0000 1111 0001 0011 1100 1101 00103C15號寄存器13CD2把主存13CD2的內(nèi)存裝載到15號寄存器6FD60110111111010110由于是單字長指令，則一定是MOV指令。則OP錯誤，修改為001010001101011028D6504.5 典型指令 指令分類

24、與基本指令類型指令分類與基本指令類型 數(shù)據(jù)傳送類指令 一般傳送指令： MOV AX，BX 數(shù)據(jù)交換指令： XCHG 堆棧操作指令： PUSH，POP 運算類指令 算術運算指令： 加、減、乘、除以及加1、減1、比較 邏輯運算指令： 移位指令 程序控制類指令 程序控制類指令用于控制程序的執(zhí)行方向，并使程序具有測試、分析與判斷的能力。 輸入和輸出指令、字符串處理指令、特權指令、其他指令514.5 典型指令 基本指令系統(tǒng) P122表4.9介紹 20%和80%規(guī)律：CISC中大約有20%的指令使用頻率高，占據(jù)了80%的處理機時間，而有80%的不常用指令只占用處理機的20%時間。 VLSI技術發(fā)展引起的問題 VLSI工藝要求規(guī)整性，而大量復雜指令控制邏輯極其不規(guī)整，給VLSI工藝造成了很大的困難。 現(xiàn)在用微程序?qū)崿F(xiàn)復雜指令與用簡單指令組成的子程序相比，沒有多大的區(qū)別。因為現(xiàn)在控制存儲器和主存的速度差縮小。 CISC中，通過增強指令系統(tǒng)的功能，簡化了軟件，增加了硬件的復雜程度。然而指令復雜了，指令的執(zhí)行時間必然加長，從而使整個系統(tǒng)的執(zhí)行