計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)尋址

計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)尋址第一頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日第一節(jié)指令格式和指令編碼指令格式：操作碼，地址碼一、操作碼 固定長(zhǎng)度操作碼：便于譯碼，擴(kuò)展性差 可變長(zhǎng)度操作碼：能縮短指令平均長(zhǎng)度二、地址碼 零地址指令，如NOP,CLR

一地址指令，如INRR1

二地址指令，如ADDR1,R2

三地址指令，如ADDR1,R2,R3第二頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日第一節(jié)指令格式和指令編碼三、指令長(zhǎng)度 固定長(zhǎng)度：取指快、譯碼簡(jiǎn)單。 單字長(zhǎng)、雙字長(zhǎng)、多字長(zhǎng) 可變長(zhǎng)度：可提高編碼效率四、指令助記符 偽指令、累加器，通用寄存器第三頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日第二節(jié)指令和數(shù)據(jù)的尋址方式一、指令的尋址方式 順序執(zhí)行：PC尋址 非順序執(zhí)行：轉(zhuǎn)移指令 如jump$1000 bgtR1 ——條件轉(zhuǎn)移vs無(wú)條件轉(zhuǎn)移

——相對(duì)轉(zhuǎn)移vs絕對(duì)轉(zhuǎn)移 狀態(tài)寄存器SR：N,Z,V,C,P第四頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日二、操作數(shù)尋址方式

1.隱含方式。如ADDA中的累加器

2.立即數(shù)方式。如INT#3 3.寄存器方式。如INCR1第五頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日二、操作數(shù)尋址方式（續(xù)）

4.直接尋址。如INC1000第六頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日二、操作數(shù)尋址方式（續(xù)）

5.間接尋址。

寄存器間接如INC(R1)，

存儲(chǔ)器間接如INC(1000)第七頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日二、操作數(shù)尋址方式（續(xù)）

6.相對(duì)尋址

如INC8(PC)第八頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日

二、操作數(shù)尋址方式（續(xù)）

7.變址和基址尋址

如INC8(R1)

變址尋址：便于數(shù)組訪問(wèn)基址尋址：可擴(kuò)大尋址范圍，可實(shí)現(xiàn)程序浮動(dòng)第九頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日二、操作數(shù)尋址方式（續(xù)）

8.復(fù)合尋址

如INC8(PC+R1)、INC(R1)(1000)第十頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日三、數(shù)據(jù)類(lèi)型及其存儲(chǔ)方式 1.數(shù)據(jù)類(lèi)型數(shù)值型整型（字節(jié)、字、雙字）浮點(diǎn)數(shù)（單精度、雙精度）字符型ASCIIEBCDIC第十一頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日三、數(shù)據(jù)類(lèi)型及其存儲(chǔ)方式2.存儲(chǔ)方式大數(shù)端(BigEndian)：最低字節(jié)存儲(chǔ)在高地址小數(shù)端(LittleEndian)：最低字節(jié)存儲(chǔ)在低地址第十二頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日三、數(shù)據(jù)類(lèi)型及其存儲(chǔ)方式

3.數(shù)據(jù)對(duì)齊方式第十三頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日第三節(jié)指令格式設(shè)計(jì)一、霍夫曼編碼 頻率相關(guān)編碼方法二、操作碼的設(shè)計(jì)第十四頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日二、操作碼的設(shè)計(jì)

——霍夫曼樹(shù)第十五頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日二、操作碼的設(shè)計(jì)

——擴(kuò)展霍夫曼樹(shù)例2.某計(jì)算機(jī)有10條指令，它們的使用頻率分別為0.30,0.20,0.16,0.09,0.08,0.07,0.04,0.03,0.02,0.01(1)用霍夫曼編碼對(duì)它們的操作碼進(jìn)行編碼，并計(jì)算平均代碼長(zhǎng)度。(2)用擴(kuò)展霍夫曼編碼法對(duì)操作碼進(jìn)行編碼，限兩種操作碼長(zhǎng)度，并計(jì)算平均代碼長(zhǎng)度。第十六頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日答：(1)霍夫曼樹(shù)如下：霍夫曼編碼的結(jié)果以及各編碼的長(zhǎng)度如下所示：0.300.200.160.090.080.070.040.030.020.011101101001100110000001000010000010000002233444566平均代碼長(zhǎng)度為(0.30+0.20)×2+(0.16+0.09)×3+(0.08+0.07+0.04)×4+0.03×5+(0.02+0.01)×6=1+0.75+0.76+0.15+0.18=2.84第十七頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日(2)用擴(kuò)展霍夫曼編碼法對(duì)操作碼進(jìn)行編碼，限兩種操作碼長(zhǎng)度，并計(jì)算平均代碼長(zhǎng)度。(2)采用長(zhǎng)度為2和長(zhǎng)度為4兩種編碼：0.300.200.160.090.080.070.040.030.020.01000110001001101010111100110111101111平均代碼長(zhǎng)度為

(0.30+0.20)×2+(1-0.30-0.20)×4=3.0第十八頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日三、地址碼的設(shè)計(jì)根據(jù)指令進(jìn)行調(diào)整，綜合考慮操作碼與地址碼（根據(jù)地址碼數(shù)量調(diào)整操作碼的長(zhǎng)度）保證指令長(zhǎng)度為字長(zhǎng)或字節(jié)的整數(shù)倍例3

若某計(jì)算機(jī)要求有如下形式的指令：三地址指令4條，單地址指令254條，零地址指令16條(不要求有二地址指令)。設(shè)指令字長(zhǎng)為12位，每個(gè)地址碼長(zhǎng)為3位，試用擴(kuò)展操作碼為其編碼。第十九頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日解：在三地址指令中三個(gè)地址字段占3×3=9位。剩下12-9=3位作為操作碼，四條指令的操作碼分別為000、001、010、011。

在單地址指令中，操作碼可以擴(kuò)展到12-3=9位，其中前3位的代碼是上述四個(gè)操作碼以外的4個(gè)編碼，即首位為1。編碼范圍是1xxxxxxxx。共有28=256個(gè)編碼，取其前254個(gè)，100000000～111111101。剩下2個(gè)作為擴(kuò)展用。

對(duì)于零地址指令，全部12位指令代碼都是操作碼，其中前9位剩下2個(gè)編碼與后3位的8個(gè)編碼正好構(gòu)成16個(gè)操作碼。

三種指令的編碼結(jié)果：習(xí)題：4，5，6第二十頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日第四節(jié)指令集一、指令集設(shè)計(jì)原則完備性、正交性、規(guī)整性、可擴(kuò)充性、有效性、兼容性二、指令類(lèi)型數(shù)據(jù)傳送：move,load,store算術(shù)運(yùn)算：add,sub,mult,div,comp邏輯運(yùn)算：and,or,neg,shift第二十一頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日移位運(yùn)算第二十二頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日二、指令類(lèi)型數(shù)據(jù)傳送：move,load,store算術(shù)運(yùn)算：add,sub,mult,div,comp邏輯運(yùn)算：and,or,neg,shift程序控制：jump,branch,jsr,ret,int輸入輸出：in,out堆棧操作：push,pop字符串：如alpha中CMPBGE,INSWH,EXTBL系統(tǒng)指令：如奔騰（P.239）第二十三頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日第五節(jié)指令系統(tǒng)分類(lèi)一、指令的訪存類(lèi)型堆棧型累加器型通用寄存器型：寄存器-寄存器型，寄存器存儲(chǔ)器型，存儲(chǔ)器-存儲(chǔ)器型第二十四頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日二、CISC和RISC早期CISC設(shè)計(jì)風(fēng)格的主要特點(diǎn)：(1)指令系統(tǒng)復(fù)雜。具體表現(xiàn)在指令數(shù)多、尋址方式多、指令格式多。(2)絕大多數(shù)指令需要多個(gè)時(shí)鐘周期才能執(zhí)行完成。(3)各種指令都可訪問(wèn)存儲(chǔ)器。(4)采用微程序控制。(5)有專(zhuān)用寄存器。(6)難以用優(yōu)化編譯生成高效的目標(biāo)代碼程序。第二十五頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日二、CISC和RISCRISC的發(fā)展：

IBM801

斯坦福MIPS

伯克利SPARC DECAlpha HPPA IBMPowerPC第二十六頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日二、CISC和RISCRISC技術(shù)的主要特征：簡(jiǎn)化的指令系統(tǒng)。表現(xiàn)在指令數(shù)較少、基本尋址方式少、指令格式少、指令字長(zhǎng)度一致。以寄存器－寄存器方式工作。以流水方式工作，從而可在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行完畢。使用較多的通用寄存器以減少訪存，不設(shè)置或少設(shè)置專(zhuān)用寄存器。采用由陣列邏輯實(shí)現(xiàn)的組合電路控制器，不用或少用微程序。采用優(yōu)化編譯技術(shù)，保證流水線暢通，對(duì)寄存器分配進(jìn)行優(yōu)化。第二十七頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日三、指令系統(tǒng)實(shí)例MIPS處理器的主要特征：指令系統(tǒng)簡(jiǎn)單。MIPS所有的指令都是32位寬度。指令數(shù)總共6類(lèi)。指令格式共三種，即立即數(shù)型、轉(zhuǎn)移型和寄存器型，如圖4-15所示。操作數(shù)尋址方式有基址加16位位移量的訪存尋址、立即數(shù)尋址及寄存器尋址三種。第二十八頁(yè)，共三十四頁(yè)，2022年，8月28日三、指令系統(tǒng)實(shí)例（續(xù)）MIPS處理器的主要特征：指令系統(tǒng)簡(jiǎn)單。不采用硬件流水互鎖。MIPS依靠?jī)?yōu)化編譯器進(jìn)行指令序列的重新安排，以防止流水線中出現(xiàn)的相互沖突。使用較多寄存器。MIPS中有32個(gè)通用寄存器、一對(duì)存儲(chǔ)64位數(shù)據(jù)的寄存器Hi,Lo以及異常PC寄存器epc。32個(gè)通用寄存器分別表示為$0到$31，其中$0固定為0。Hi,Lo寄存器用于存放定點(diǎn)乘法的結(jié)果。采用“比較與轉(zhuǎn)移”指令。使比較和轉(zhuǎn)移這兩個(gè)動(dòng)作在一條指令內(nèi)便可完成，如beq$1,$2,1000