計(jì)算機(jī)原理計(jì)原課件指令系統(tǒng)

1、復(fù)習(xí)思考題7根據(jù)操作數(shù)所在的位置，指出下列尋址方式：操作數(shù)在寄存器中，為寄存器尋址方式；操作數(shù)地址在寄存器中，為寄存器間接尋址方式；操作數(shù)在指令中，為立即尋址方式；操作數(shù)的地址在指令中，為直接尋址方式；操作數(shù)地址為某寄存器與位移量之和，則可以是變址、基址和相對(duì)尋址方式。立即尋址方式獲得數(shù)據(jù)的速度最快。頁(yè)面尋址方式獲得數(shù)據(jù)的速度最慢。求指令所能訪(fǎng)問(wèn)的最大主存區(qū)域某小型機(jī)字長(zhǎng)為16位，其雙操作數(shù)指令格式如下：(1) A為立即數(shù)(2) A為直接主存單元地址(3) A為間接地址(4) A為變址尋址的形式地址，設(shè)變址寄存器為RAROP15 10 9 8 7 0 1個(gè)機(jī)器字28=256個(gè)機(jī)器字216=64

2、K 個(gè)機(jī)器字操作碼可指定26=64條指令216=64K 個(gè)機(jī)器字通用寄存器地址第3章 指令系統(tǒng)3.1 指令格式3.2 尋址技術(shù)3.3 堆棧與堆棧操作3.4 指令類(lèi)型3.5 指令系統(tǒng)的發(fā)展3.3 堆棧與堆棧操作堆棧是一種按特定順序進(jìn)行存取的存儲(chǔ)區(qū)特點(diǎn)“后進(jìn)先出”（LIFO）或“先進(jìn)后出”（FILO）寄存器堆棧(硬堆棧)由一組專(zhuān)門(mén)的寄存器構(gòu)成棧頂是固定的各寄存器間是相互連接的，它們之間具有對(duì)應(yīng)位自動(dòng)推移的功能，即可將一個(gè)寄存器的內(nèi)容推移到相鄰的另一個(gè)寄存器中去。堆棧存儲(chǔ)器堆棧（軟堆棧） 從主存中劃出一段區(qū)域來(lái)作堆棧，堆棧的大小可變，棧底固定，棧頂浮動(dòng)，需要一個(gè)專(zhuān)門(mén)的寄存器作為堆棧棧頂指針SP(棧指

3、針)。棧指針?biāo)付ǖ闹鞔鎲卧褪嵌褩５臈ｍ敗?高地址低地址堆棧區(qū)自底向上生成方式的堆棧堆棧的棧底地址大于棧頂?shù)刂?，通常棧指針始終指向棧頂?shù)臐M(mǎn)單元。SP堆棧操作進(jìn)棧操作SP的內(nèi)容需先自動(dòng)減1，然后再將數(shù)據(jù)壓入堆棧。 20001FFF(SP)-1SP 修改棧指針(A)(SP) 將A中的數(shù)據(jù)壓入堆棧SP2000A2000原棧頂單元現(xiàn)棧頂單元1FFF注意 PUSH A堆棧操作出棧操作需要先將堆棧中的數(shù)據(jù)彈出，然后SP的內(nèi)容再自動(dòng)加1。 2000(SP)A 將棧頂內(nèi)容彈出，送入A中(SP)+1SP 修改棧指針SP1FFFA1FFF原棧頂單元現(xiàn)棧頂單元1FFF2000注意 POP A堆棧操作在一般計(jì)算機(jī)

4、中，堆棧主要用來(lái)暫存中斷斷點(diǎn)子程序調(diào)用時(shí)的返回地址、狀態(tài)標(biāo)志及現(xiàn)場(chǎng)信息等、子程序調(diào)用時(shí)參數(shù)的傳遞，所以用于訪(fǎng)問(wèn)堆棧的指令只有進(jìn)棧（壓入）和出棧（彈出）兩種。在堆棧計(jì)算機(jī)（如HP-3000、B5000等）中，沒(méi)有一般計(jì)算機(jī)中必備的通用寄存器因此堆棧就成為提供操作數(shù)和保存運(yùn)算結(jié)果的唯一場(chǎng)所。堆棧操作算術(shù)邏輯表達(dá)式的表示方法中綴式，如：AB + CD前綴式（波蘭表達(dá)式）如：+ AB CD后綴式（逆波蘭表達(dá)式）如：AB CD+此表達(dá)方式可方便堆棧計(jì)算機(jī)運(yùn)算： PUSH A ；將A壓入堆棧 PUSH B ；將B壓入堆棧 MUL ；完成AB PUSH C ；將C壓入堆棧 PUSH D ；將D壓入堆棧 DI

5、V ；完成CD ADD ；完成AB+ CD POP X ；將結(jié)果存入X單元棧指針棧底SPALU3.4 指令的類(lèi)型數(shù)據(jù)傳送類(lèi)指令一般傳送，堆棧操作，數(shù)據(jù)交換指令運(yùn)算類(lèi)指令算術(shù)運(yùn)算，邏輯運(yùn)算，移位指令程序控制類(lèi)指令轉(zhuǎn)移，子程序調(diào)用，返回指令I(lǐng)/O類(lèi)指令其他指令指令系統(tǒng)舉例PDP-11指令系統(tǒng)PDP-11是一個(gè)具有8個(gè)寄存器(R0 R7)、16位字長(zhǎng)的小型計(jì)算機(jī)。其中，R0 R5為通用寄存器，R7是程序計(jì)數(shù)器PC，R6是棧指針SP。指令系統(tǒng)舉例8086/8088指令系統(tǒng)Intel 8086指令系統(tǒng)共有117條基本指令，每條指令16B不等有6類(lèi)指令 數(shù)據(jù)傳送類(lèi)指令 算術(shù)運(yùn)算類(lèi)指令 位操作類(lèi)指令 串操作

6、類(lèi)指令 控制轉(zhuǎn)移類(lèi)指令 處理機(jī)控制類(lèi)指令有10種尋址方式 立即尋址 直接尋址 寄存器尋址 寄存器間接尋址 變址尋址 基址尋址 相對(duì)變址尋址 相對(duì)基址尋址 基址變址尋址 相對(duì)基址變址尋址指令系統(tǒng)舉例8086/8088指令系統(tǒng)OPOPMODOPDATA/DISP8OPMODOPDATA16 / DISP16OPMODOPMODOPMODOPMODOPOPMODDATA/DISP8DATA8DISP8DATA16 / DISP16DISP16DATA8DISP8DATA16DATA16SEG16DATA16DISP163.5 指令系統(tǒng)的發(fā)展CISCComplex Instruction Set Co

7、mputer復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)傳統(tǒng)計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)思想隨著系列機(jī)的問(wèn)世，指令系統(tǒng)的條數(shù)越來(lái)越多體現(xiàn)了計(jì)算機(jī)性能越高，其指令系統(tǒng)越復(fù)雜的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思想。這類(lèi)計(jì)算機(jī)稱(chēng)為“復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)”CISC使指令系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜的出發(fā)點(diǎn)使目標(biāo)程序得到優(yōu)化給高級(jí)語(yǔ)言提供更好的支持提供對(duì)操作系統(tǒng)的支持 從計(jì)算機(jī)的發(fā)展過(guò)程來(lái)看，指令系統(tǒng)是隨著計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的完善發(fā)展起來(lái)的。 早期的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 指令條數(shù)少, 指令系統(tǒng)功能弱, 計(jì)算機(jī)的性能較差。 隨著VLSI技術(shù)的迅速發(fā)展，硬件成本不斷下降，軟件成本不斷上升，促進(jìn)人們?cè)谥噶钕到y(tǒng)中增加更多的指令和更復(fù)雜的指令，以適應(yīng)不同應(yīng)用領(lǐng)域的需要。 特別是系列機(jī)問(wèn)世之后，為了能做到程

8、序兼容，新設(shè)機(jī)型或高檔機(jī)除了要繼承老機(jī)器的指令系統(tǒng)中的全部指令外，還要增加若干新的指令，從而導(dǎo)致同一系列計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，機(jī)器結(jié)構(gòu)也越來(lái)越復(fù)雜。1.RISC產(chǎn)生的時(shí)代背景RISC的產(chǎn)生和發(fā)展情況（說(shuō)明）CISC的問(wèn)題CISC引起的問(wèn)題龐大的指令集紛繁復(fù)雜的尋址模式硬件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜（硬件資源的利用率低） CISC機(jī)器造成的后果機(jī)器開(kāi)發(fā)成本高結(jié)構(gòu)復(fù)雜速度慢前一頁(yè)的說(shuō)明從計(jì)算機(jī)的發(fā)展過(guò)程來(lái)看，指令系統(tǒng)是隨著計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的完善發(fā)展起來(lái)的。 目前，大多數(shù)計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)多到幾百條指令 VAX11/780計(jì)算機(jī)有303條指令，18種尋址方式； Pentium機(jī)有191條指令，9種尋址方式。RISC

9、的提出1975年HP公司對(duì)IBM370計(jì)算機(jī)的高級(jí)語(yǔ)言所作的運(yùn)行統(tǒng)計(jì)，分析表明“20-80定律” 能否用 20% 的簡(jiǎn)單指令組合不常用的80% 的指令功能？1975年提出“精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)”，簡(jiǎn)稱(chēng)RISC（Reduced Instruction Set Computer）。占指令系統(tǒng)在程序中出現(xiàn)的頻率備注 常用 指令20%80%傳送、轉(zhuǎn)移、測(cè)試、比較，1指令等不常用指令80%20%其他RISC的特點(diǎn)RISC計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)減小代碼空間但不是簡(jiǎn)單地簡(jiǎn)化指令系統(tǒng)，而是通過(guò)簡(jiǎn)化指令使計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單合理，從而提高機(jī)器的性能。RISC的主要特征選取使用頻率最高的一些簡(jiǎn)單指令，指令條數(shù)少；每周期執(zhí)行一條

10、指令只有取數(shù)存數(shù)指令訪(fǎng)問(wèn)存儲(chǔ)器，其余指令的操作為寄存器-寄存器操作簡(jiǎn)單的尋址方式簡(jiǎn)單的指令格式：長(zhǎng)度固定，格式種類(lèi)少采用RISC技術(shù)后，由于指令系統(tǒng)簡(jiǎn)單，CPU的控制邏輯大大簡(jiǎn)化，芯片上可設(shè)置更多的通用寄存器，指令系統(tǒng)也可以采用速度較快的硬連線(xiàn)邏輯來(lái)實(shí)現(xiàn)，且更適合于采用指令流水技術(shù)，這些都可以使指令的執(zhí)行速度進(jìn)一步提高。 指令數(shù)量少，固然使編譯工作量加大，但由于指令系統(tǒng)中的指令都是精選的，編譯時(shí)間少，反過(guò)來(lái)對(duì)編譯程序的優(yōu)化又是有利的。 前一頁(yè)說(shuō)明RISC指令系統(tǒng)舉例SPARCSPARC為SUN公司生產(chǎn)的32位RISC處理器共89條指令，分為6大類(lèi)算邏運(yùn)算、取數(shù)/存數(shù)、控制轉(zhuǎn)移、R/W專(zhuān)用寄存器

11、、浮點(diǎn)運(yùn)算、協(xié)處理器指令。共有4種尋址方式立即尋址、寄存器尋址、寄存器間接尋址、自相對(duì)尋址。共有三種指令格式調(diào)用子程序指令，轉(zhuǎn)移類(lèi)指令和其他指令RISC指令系統(tǒng)舉例SPARCOPDISP 2 30OP1ROP2Imm 2 5 3 22OP1aCondOP2DISP 2 1 4 3 22 OP1ROP3Rs1iAs1As2 2 5 6 5 1 8 5OP1ROP3Rs1iSmm 2 5 6 5 1 13OP1ROP3Rs1OPfAs2 2 5 6 5 8 5 子程序調(diào)用指令轉(zhuǎn)移類(lèi)指令其他指令RISC指令系統(tǒng)舉例SPARC精簡(jiǎn)后，部分原指令的替代實(shí)現(xiàn)指令功能替代指令實(shí)現(xiàn)( R0 0 )MOVE寄存

12、器間傳送ADDR0+RsRdINC+1ADDRs + 1RdDEC-1SUBRs - 1RdNEG取負(fù)數(shù)SUBR0 - RsRdNOT取反碼XOR-1Rs RdCLR清零ADDR0+R0 RdRISC和CISC 的比較RISC更能 充分利用 VLSI 芯片的面積 RISC 更能 提高計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度指令數(shù)、指令格式、尋址方式少，通用寄存器多采用組合邏輯實(shí)現(xiàn)控制，便于實(shí)現(xiàn)指令流水RISC 便于設(shè)計(jì)，可降低成本，提高可靠性RISC 有利于編譯程序代碼優(yōu)化RISC 不易 實(shí)現(xiàn) 指令系統(tǒng)兼容CISC和RISCRISC計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)不是簡(jiǎn)單地簡(jiǎn)化指令系統(tǒng)而是通過(guò)簡(jiǎn)化指令使計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單合理，從而提高機(jī)器的性能CISC與RISC之爭(zhēng)指令數(shù)量少，固然使編譯工作量加大，但由于指令系統(tǒng)中的指令都是精選的，編譯時(shí)間少，反過(guò)來(lái)對(duì)編譯程序的優(yōu)化又是有利的。只是難點(diǎn)為編寫(xiě)高質(zhì)量的軟件。比較有名的是RISC計(jì)算機(jī)有： IBM