计算机组成原理第四章

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第四章,指令系统,机器指令,系列计算机,指令格式,寻址方式,RISC和CISC,重点和难点,指令及指令系统的概念,指令的一般格式,操作码和操作数,指令和数据的寻址,RISC,和,CISC,的基本概念,教学要求,指令系统的发展与性能要求,指令格式,操作数类型,指令和数据的寻址方式,典型指令,本章小结,主要内容,指令系统的发展与性能要求,指令格式,操作数类型,指令和数据的寻址方式,典型指令,本章小结,主要内容,指令系统的发展,指令和指令系统,系列计算机,RISC和CISC,对指令系统性能的要求,低级语言与硬件结构的关系,指令系统的发展与性能要求,指令,：计算机执行某种操作的命令,微指令：微程序级的命令，它属于硬件；,宏指令：由若干条机器指令组成的软件指令，它属于软件；,机器指令：介于微指令与宏指令之间，通常简称为指令，每一条指令可完成一个独立的算术运算或逻辑运算操作。,指令系统,：一台计算机中所有机器指令的集合,表征一台计算机性能的重要因素，它的格式与功能不仅直接影响到机器的硬件结构，而且也直接影响到系统软件，影响到机器的适用范围,指令系统的设计是计算机系统设计的核心问题，不仅与计算机的硬件结构紧密相关，而且直接关系到用户的使用需要,指令系统的发展,系列计算机,基本指令系统相同、基本体系结构相同的一系列计算机,新机种的性能和价格方面比旧机种优越,系列机解决了各机种的软件兼容问题,RISC和CISC,CISC，复杂指令系统计算机。,指令系统多达几百条，如此庞大的指令系统不但使计算机的研制周期变长，难以保证正确性，不易调试维护，而且由于采用了大量使用频率很低的复杂指令而造成硬件资源浪费,RISC，精简指令系统计算机。,选取使用频率最高的一些简单指令，指令条数少；,指令长度固定，指令格式种类少；,只有取数和存数指令访问存储器，其余指令的操作都在寄存器之间进行。,指令系统的发展,完备性,指令系统丰富、功能齐全、方便使用,有效性,利用指令系统编写的程序能够高效率地运行,规整性,对称性：所有指令可以使用各种寻址方式，寄存器和存储器单元可以同等对待,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相关，以便处理和存取,兼容性,系列机各机种上基本软件可以通用，但只能做到“向上兼容”,对指令系统性能的要求,程序设计与计算机语言,程序设计：编写程序的过程,计算机语言：程序设计所使用的主要工具,低级语言和高级语言,低级语言：机器语言和汇编语言。面向机器的语言，与具体机器的指令系统密切相关,高级语言：语句和用法与具体机器的指令系统无关,机器语言和汇编语言,机器语言：二进制代码语言。计算机能够直接识别和执行，但编程不方便,汇编语言：符号语言。跟机器语言对应，依赖于机器硬件结构和指令系统，但不能直接在机器上执行,低级语言与硬件结构的关系,计算机语言,高级语言（,与计算机的硬件结构及指令系统无关,）,低级语言,汇编语言（,符号语言,）,机器语言（,二进制代码语言,）,汇编程序,编译或解释程序,与计算机的硬件结构和指令系统密切相关,低级语言与硬件结构的关系,指令系统的发展与性能要求,指令格式,操作数类型,指令和数据的寻址方式,典型指令,本章小结,主要内容,指令的一般格式,操作码,地址码,指令字长度,指令助记符,指令格式举例,指令格式,指令的一般格式,指令字：表示一条指令的机器字，简称指令,指令格式：指令字用二进制代码表示的结构形式，通常由操作码字段和地址码字段组成,一般格式：,操作码,表示指令的操作性质,不同指令用操作码字段的不同编码表示，每一种编码代表一种指令,操作码字段的位数取决于指令系统的规模,定长操作码和不定长操作码,指令格式,操作码（OP）,地址码（ADDR）,地址码,零地址指令,一地址指令,二地址指令,存储器-存储器（SS）型指令,寄存器-寄存器（RR）型指令,寄存器-存储器（RS）型指令,三地址指令,指令格式,OP,A1,A2,A3,OP,A,OP,OP,A1,A2,指令字长度,概念,一个指令字包含的二进制代码位数就是指令字长,单字长指令：指令字长等于机器字长的指令,半字长指令：指令字长等于半个机器字长的指令,双字长指令：指令字长等于两个机器字长的指令,多字长指令,等长指令字结构,变长指令字结构,指令格式,指令助记符,由于硬件只能识别1和0，所以采用二进制操作码是必要的，但是我们用二进制来书写程序却非常麻烦。,为了便于书写和阅读程序，每条指令通常用3个或4个英文缩写字母来表示。这种缩写码叫做指令助记符,用34个英文字母来表示操作码，一般为英文缩写,不同的计算机系统，规定不一样,必须用汇编语言翻译成二进制代码,实例：P108表4.2,指令格式,指令助记符实例,指令格式,典型的指令助记苻,典型指令,指令助记苻,二进制操作码,加法,ADD,001,减法,SUB,010,传送,MOV,011,跳转,JMP,100,转子,JSR,101,存储,STO,110,读数,LAD,111,指令格式举例,教学机指令格式,单字长指令,双字长指令,指令格式,OP,ADR,15 8,7 0,OP,ADR,ADR,单字、无操作数指令,RET,单字、单操作数指令,INC DR,JR ADR,IN I/O PORT,单字、双操作数指令,ADD DR, SR,MVRR DR, SR,STRR DR,SR,教学机指令格式,0000 0000,操作码,I/O PORT,OFFSET,0000 SR,DR 0000,操作码,DR,SR,操作码,双字、单操作数指令,JMPA ADR,CALA ADR,双字、双操作数指令,格式1,MVRD DR, DATA,格式2,教学机指令格式,ADR,0000 0000,操作码,DATA/ADR,0000 SR,DR 0000,操作码,OFFSET,SR,DR,操作码,【例1】指令格式如下所示，其中OP为操作码，是分析指令格式的特点。,15 9,7 4,3 0,OP,源寄存器,目标寄存器,【例2】指令格式如下所示，其中OP为操作码，是分析指令格式的特点。,15 10,7 4,3 0,OP,源寄存器,变址寄存器,位移量（16位）,指令格式,指令系统的发展与性能要求,指令格式,操作数类型,指令和数据的寻址方式,典型指令,本章小结,主要内容,操作数类型,一般的数据类型,地址数据,数值数据,字符数据,逻辑数据,Pentium数据类型,Power PC数据类型,指令系统的发展与性能要求,指令格式,操作数类型,指令和数据的寻址方式,典型指令,本章小结,主要内容,指令的寻址方式,顺序寻址方式,跳跃寻址方式,操作数基本寻址方式,有效/形式地址,隐含寻址,立即寻址,直接寻址,间接寻址,指令和数据的寻址方式,寄存器寻址,寄存器间接寻址,偏移寻址,段寻址,堆栈寻址,顺序寻址方式,指令的寻址方式,内存,指令地址,指令内容,0,LDA 200,1,ADD 201,2,INC,3,JMP 6,4,LAD 206,5,SUB 207,6,INC,7,LAD 200,程序计数器,+1,使用程序计数器（PC）来计数指令在内存中的地址,跳跃寻址方式,指令的寻址方式,当执行转移指令时，由指令的地址码部分给出下条指令的地址，程序按新的地址开始顺序执行。,内存,指令地址,指令内容,3,JMP,6,4,LDA 206,5,SVB 207,6,INC,7,LDA 200,程序计数器,操作数的基本寻址方式,寻址：,获得操作数的有效地址,隐含寻址,指令中隐含着操作数的地址,立即寻址,指令地址字段指出的是操作数本身，而非操作数地址,直接寻址,指令地址字段给出操作数在内存的地址，即EA=A,操作码,OP,变址,X,间址,I,形式地址,A,操作数的基本寻址方式,间接寻址,指令地址字段指出操作数地址的指示器，即EA=(A),寄存器寻址,指令地址字段指出操作数所在寄存器的编号，即EA=R,寄存器间接寻址,指令地址字段给出的寄存器内容不是操作数，而是操作数所在的内存单元地址，即EA=(R),段寻址,实质是基址寻址,操作数的基本寻址方式,堆栈寻址,寄存器堆栈和存储器堆栈,偏移寻址,直接寻址和寄存器间接寻址的结合,有效地址EA=A+(R),三种偏移寻址,相对寻址：R=PC,基址寻址：寄存器R指出一个内存地址，以该地址为起始地址，偏移一个A值,变址寻址：寄存器R指出一个偏移量，指令的地址字段指出一个内存地址A,6位,4位,1位,2位,16位,OP,通用寄存器,I,X,偏移量D,其中I为间接寻址标志位，X为寻址模式字段，D为偏移量字段。通过I，X，D的组合，可构成如下表所示的寻址方式。请写出6种寻址方式的名称。,寻址方式,I,X,有效地址E算法,说明,（1）,0,00,E=D,（2）,0,01,E=(PC),D,PC为程序计数器,（3）,0,10,E=(R2),D,R2为变址寄存器,（4）,1,11,E=(R3),（5）,1,00,E=(D),（6）,0,11,E=(R1),D,R1为基址寄存器,【例3】一种二地址RS型指令的结构如下所示：,操作数的基本寻址方式,操作数的基本寻址方式,【例4】某16位机器所使用的指令格式和寻址方式如下所示，该机有两个20位基址寄存器，四个16位变址寄存器，十六个16位通用寄存器。指令汇编格式中的S（源），D（目标）都是通用寄存器，M是主存中一个单元。三种指令的操作码分别是MOV(OP)=(A),H,，STO(OP)=(1B),H,，LAD(OP)=(3C),H,。MOV是传送指令，STO为写数指令，LAD为读数指令。,要求：,（1）分析三种指令的指令格式与寻址方式特点。,（2）CPU完成哪一种操作所花时间最短？哪一种操作所花时间最长？第二种指令的执行时间有时会等于第三种指令的执行时间吗？,（3）下列情况下，每个十六进制指令字分别代表什么操作？其中如果有编码不正确，如何改正才能成为合法指令？,(F0F1),H,(3CD2),H,(2856),H,(6FD6),H,(1C2),H,15 10,9 8,7 4,3 0,OP,目标寄存器,源寄存器,15 10,9 8,7 4,3 0,OP,目标寄存器,20位地址,15 10,9 8,7 4,3 0,OP,基址,源寄存器,变址寄存器,位移量（16位）,MOV S，D,STA S，M,LDA S，M,操作数的基本寻址方式,指令系统的发展与性能要求,指令格式,操作数类型,指令和数据的寻址方式,典型指令,本章小结,主要内容,指令的分类,（1）数据传送指令 （2）算术运算指令,（3）逻辑运算指令 （4）程序控制指令,（5）输入输出指令 （6）字符串处理指令,（7）特权指令 （8）其他指令,基本指令系统操作,精简指令系统,RISC指令系统的最大特点,典型RISC指令系统的基本特征,PowerPC机指令类型和格式,典型指令,无操作数指令,PSHF ；状态标志(C,Z,V,S,P1,P0,0,0)入栈,POPF ；弹出栈顶数据送状态标志寄存器,RET ；子程序返回,单操作数指令,DEC DR ；DRDR-1，置标志位,INC DR ；DR,DR+1，置标志位,SHL DR ；DR逻辑左移，最低位补0，最高位移入C,SHR DR ；DR逻辑右移，最高位补0，最低位移入C,JMPA ADR； 无条件跳转到地址ADR,CALA ADR； 调用首地址为ADR的子程序,教学机基本指令,单操作数指令,JR ADR ；无条件跳转到ADR，ADR当前PC值OFFSET,JRC ADR ；当C=1时跳转到ADR，ADR当前PC值OFFSET,JRNC ADR ；当C=0时跳转到ADR，ADR当前PC值OFFSET,JRZ ADR ；当Z=1时跳转到ADR，ADR当前PC值OFFSET,JRNZ ADR ；当Z=0时跳转到ADR，ADR当前PC值OFFSET,IN I/O PORT；从外设I/O端口读入数据到R0低位字节,OUT I/O PORT；将R0低位字节的数据写入外设I/O端口,PUSH SR ；SR入栈,POP DR ；弹出栈顶数据送DR,教学机基本指令,双操作数指令,ADD DR, SR； DR,DR+SR，置标志位,SUB DR, SR； DRDR-SR，置标志位,AND DR, SR ； DRDR and SR，置标志位,CMP DR, SR ； DR-SR，置标志位,XOR DR, SR ； DRDR xor SR，置标志位,TEST DR, SR ； DR and SR，置标志位,OR DR, SR ； DRDR or SR，置标志位,MVRR DR, SR ； DRSR,LDRR DR,SR ； DRSR,STRR DR,SR ； DRSR,MVRD DR, DATA； DRDATA,教学机基本指令,指令和指令系统,指令格式,操作码,地址码,指令和数据寻址方式,指令寻址,操作数寻址,典型指令,本章小结,