理学组成原理

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,#,一、机器指令,从计算机的层次结构来说，计算机指令有,微指令,、,机器指令,和,宏指令,之分。一台计算机中所有机器指令的集合称为这台计算机的,指令系统,。,指令系统,是计算机硬件的语言系统，因此也叫做,机器语言,。指令系统是,软件和硬件的主要交界面,，指令系统表征了计算机的,基本功能，,决定了机器,硬件,所具有的,能力,，也决定机器的,硬件结构,。,对指令系统的要求,完备性,:,指令齐全，编程方便,高效性：,占内存少，运行省时,规整性：,指令与运算规则统一,兼容性：,新旧机指令软件兼容,当前的计算机指令系统，从其构成的复杂和完备程度，或者说设计中追求的不同的目标区分，可分为,CISC,和,RISC,两类：,RISC,（,Reduced Instruction Set Computer,）,通常称为精简指令系统的计算机，只有数目较少、格式与功能简单、运行高效的指令，追求的是计算机控制器实现简单，运行高速，更容易在单块超大规模集成电路中芯片内制做出来。,CISC,（,Complex Instruction Set Computer,）,通常称为复杂指令系统的计算机，是相对于,RISC,一词而提出来的一种说法。其特点是：指令条数多，格式多样，寻址方式复杂，每条指令的功能强，优点是汇编程序设计容易些，但计算机控制器的实现困难多，很多指令被使用的机会并不多。,返回,指令字长,指一条,指令中包含的二进制码位数,。,指令字长选取原则：,(1),长度尽可能短，以节省存储空间和提高 处理速度；,(2),指令中各信息位利用率尽可能高。,常见结构：,(1),等长指令字结构：,指令系统的所有指令长度相等。特点：结构简单，通常取：指令字长,=,机器字长。,(2),变长指令字结构：,各种指令长度不等，如半字长、单字长、双字长等等。特点：结构灵活，能充分利用指令信息位，但指令的分析复杂。,指令字长,操作码字段 地址码字段,返回,指令的一般格式：,机器指令格式,操作码：,表示指令的操作性质，即指令要,完成的功能。,地址码：,指出操作数的地址，即指令操,作对象所在的位置。,指令地址码字段的格式,通常按所能给出的,操作数地址的个数,进行安排。常用的有以下格式。,1,、三地址指令,操作码,A1 A2 A3,(A1)OP(A2),A3,指令中的三个地址，,既可以是内存地址，也可以是通用寄存器号,，根据操作数所处位置有：,存储器,存储器型（,SS,型）指令,寄存器,寄存器型（,RR,型）指令,存储器,寄存器型（,SR,型）指令,地 址 码 字 段,3,、一地址指令,操作码,A,(AC)OP(A),AC,4,、零地址指令,操作码,适用于控制类指令或堆栈结构计算机，,(SP)OP(SP-1),SP-1,2,、二地址指令,操作码,A1 A2,(A1)OP(A2),A1,为了表示不同功能的指令，指令格式中为每一条指令都要安排一个,唯一,的操作码。,操作码字段位数选取,原则,：应能表示指令系统中的,全部指令,。,常用操作码格式：,1,、定长操作码,指令系统中所有指令的操作码位数一致。,特点：,译码结构简单，译码时间短。,常用于字长较长的大、中型机。,操 作 码 字 段,2,、可变长操作码,指令系统中各种指令的操作码位数不一致。,特点：,可充分利用指令信息位，有效地压缩操,作码的平均长度。广泛用于字长较短的,小、微型机。,操作码的扩展方法,思想：,当指令总长度不变，且多种地址码结构混合使用时，可使用地址码个数较少的指令空出的地址码部分，来增加操作码的位数。,指令操作码扩展方法举例,15 12 11 6 5 0,OP,A1,A2,1111 000000,A,1111 000001,A,1111 111110,A,10,位操作码,2,6,-1=63,条,一地址指令,1111 111111,000000,1111 111111,000001,1111 111111,111111,16,位操作码,2,6,=64,条,零地址指令,0000,A1 A2,0001,A1 A2,1110,A1 A2,4,位操作码,2,4,-1=15,条,二地址指令,操作数类型：,地 址：,在指令中出现为了获得操作数，可看,作无符号整数。,数 字：,包括定点数、浮点数和十进制数。,字 符：,包括单字符、字符串和文本。,逻辑数：,逻辑数形式上与数值数据无区别，但,逻辑数,n,位间无数值和位权关系，运,算时按位进行。,二、操作数类型和操作类型,机器字长,指,CPU,一次能处理数据的最长位数。为了支持各种不同数据类型，每台处理器能处理多种不同字长数据。例如,Pentium,可处理数据字长有：,8,（字节）、,16,（字）、,32,（双字）、,64,（四字）；,PowerPC,可处理,8,（字节）、,16,（半字）、,32,（字）、,64,（双字）。不同字长的数据在内存存放有两种方式，即,边界对准,和,边界不对准,。,数据在存储器中的存放方式：,机器字长和存储字长均为,32,位，若,CPU,可处理字节、半字、字和双字，采用,“,边界对准,”,方式时，不同字长数据在内存存放形式如下：,双字,字（地址,8,）,字（地址,0,）,字节（地址,7,）,字节（地址,5,）,字节（地址,6,）,字节（地址,4,）,半字（地址,14,）,半字（地址,12,）,0,双字（地址,16,）,8,12,16,20,4,字节存放次序可按,低位字节低地址或低位字节高地址两种方式存放,。当所存储数据不能满足此要求时，可填充一至多个空白字节。,字（地址,8,）,字（地址,0,）,字节（地址,5,）,字节（地址,4,）,半字（地址,14,）,半字（地址,12,）,0,8,12,4,12,字（地址,0,）,字节（地址,5,）,字节（地址,4,）,半字（地址,14,）,半字（地址,12,）,0,8,4,字（地址,6,）,字（地址,8,）,半字（地址,10,）,按边界对准方式，且低位字节放在低地址。,按边界不对准方式，且低位字节放在低地址。,特点：存储空间利用率高，但存取速度受到影响。,1,、数据传送,包括寄存器与寄存器、寄存器与存储单元、存储单元与存储单元。,操作类型（指令类型）,2,、算术逻辑运算,包括定点算术运算、浮点算术运算、逻辑运算和位操作。,3,、移位操作,包括算术移位、逻辑移位和循环移位。,4,、程序转移,无条件转移,条件转移,子程序调用与返回,中断及中断指令,5,、输入输出,对于,I/O,独立编址的计算机，通常设有专门的,I/O,指令，完成,CPU,和,I/O,间的数据传送。,6,、其它,包括停机指令、空操作指令、开,/,关中断指令和置条件码指令等。,寻址方式,（又称编址方式）指的是确定本条指令的数据地址（,数据寻址,）及下一条要执行的指令地址（,指令寻址,）的方法。,不同的计算机系统,使用数目和功能不同的寻址方式，其实现的复杂程度和运行性能各不相同。通常需要在指令中为每一个操作数专设一个地址字段，用来表示数据的来源或去向的地址。在指令中给出的操作数的地址被称为,形式地址,，使用形式地址信息并按一定的规则计算出来的一个数值才是数据（或指令）的,实际地址（或有效地址）。,返回,三、寻址方式,指令的寻址方式反映了程序的运行轨迹。,1,、顺序寻址,通过程序计数器,PC,加,1,，自动形成下一条指令的地址。,2,、跳跃寻址,对应于程序转移执行的方式，下一条指令的地址由转移类指令直接指出，而不是由,PC,顺序计数提供。,PC,内容按转移地址重新设置。,指令的寻址方式,在指令的操作数地址字段，可能要指出：,运算器中的累加器的编号或专用寄存器名称（编号）,输入,/,输出指令中用到的,I/O,设备的入出端口地址,内存储器的一个存储单元（或一,I/O,设备）的地址,数据的寻址方式,现在的计算机中，寻址方式较多，为了正确、有效地获得操作数，通常在指令中安排几位标志位表示所用的寻址方式，称为,“,寻址方式码,”,或,“,寻址特征码,”,。指令格式如下：,有多种,基本寻址方式,和某些,符合寻址方式,简介如下,:,操作码,寻址特征,1,D1,寻址特征,2,D2,1,、立即数寻址,所需的一个,操作数,在指令的地址码部分直接给出。,适用于操作数固定的情况，提高了指令的执行速度。,返回,OP,Des,Imme,.,Data,Mod,源操作数,说明,立即寻址只能作为双操作数指令的源操作数。,Operand=Imme.Data,例：,MOV AX,1000H,2,、,存储器直接寻址,返回,操作数在存储器中,，指令地址字段直接给出操作数在存,储器中的地址。,OP,Des,A,Mod,Data,说明,EA=A,Operand=(A),例：,MOV AX,1000H,存储器,A,3,、寄存,器直接寻址,返回,指令地址码字段给出某一通用寄存器的编号（地址），,且,所需的操作数就在这一寄存器中。,OP,Des,R,i,Mod,说明,EA=R,i,Operand=(R,i,),例：,MOV AX,1000H,Data,寄存器,R,i,指令的地址码字段给出的内容既不是操作数，也不是操作数的地址，而是,操作数地址的地址,。,分为一次间接或多次间接寻址。,4,、存储器间接寻址,返回,OP,Des,A1,Mod,说明,EA=(A1),Operand=(A1),例：,MOV R1,(1000H),（,PDP-11,的指令）,Data,A2,存储器,A2,A1,指令地址码字段给出某一通用寄存器的编号（地址），,该寄存器中存放的是操作数在内存储器中所在单元的地址,。,5,、寄存器间接寻址,返回,OP,Des,R,i,Mod,A,寄存器,R,i,Data,存储器,A,说明,EA=(R,i,),Operand=(R,i,),例：,MOV AX,BX,操作数在存储器中，指令地址字段给出一基址寄存器和一形式地址，基变址寄存器的内容与形式地址之和是操作数的内存地址。,6,、基址寻址,返回,OP,Des,A,Mod,Rb,N,寄存器,Rb,+,Data,A+N,存储器,A,A+1,说明,EA=(Rb)+A,Operand=(Rb)+A),例：,MOV AX,1000HBX,主要用于为程序或数据分配存储区，对多道程序或浮动程序很有用，解决了程序在存储器中的定位和扩大寻址空间等问题,。,7,、变址寻址,返回,操作数在存储器中，指令地址字段给出一变址寄存器和一形式地址，变址寄存器的内容与形式地址之和是操作数的内存地址。,OP,Des,A,Mod,Rx,N,寄存器,Rx,+,Data,A+N,存储器,A,A+1,说明,EA=(Rx)+A,Operand=(Rx)+A),有的系统中，变址寻址完成后，变址寄存器的内容将自动进行调整。,Rx,(Rx)+,（操作数,Data,的字节数）,例：,MOV AX,1000HDI,主要用于对数组操作和串操作,P316,表,7.1,操作数（或指令）的地址由程序计数器,PC,的内容（即当前执行指令的地址）和指令的地址码相加得到。,8,、相对寻址,返回,OP,Des,A,Mod,N,PC,+,说明,EA=(PC)+A,Operand=(PC)+A),例：,JNE A,主要用于转移指令，对浮动程序很有用。,Data,A+N,存储器,A,A+1,P317,例子,堆栈是一种存储装置，它依据,“,后进先出,(LIFO),”,的原则存储数据，有寄存器堆栈和存储器堆栈，目前通常使用存储器堆栈。存储器堆栈是在主存中开辟一块区域，该区域一端固定，称为,栈底,；一端是浮动的，称为,栈顶,，栈顶是数据唯一的出入口。,堆栈指针始终指向栈顶,。,9,、堆栈寻址,返回,主要有两种堆栈的结构：,空栈情况,非空栈情况,xx.x,堆栈指示器,SP,xx.x,栈长,栈底,/,栈顶,存储器,A,c,-1,堆栈指示器,SP,栈底,存储器,A,a,A,b,A,c,a,c,b,栈顶,压栈操作,(PUSH),：,SP SP-1,。,(S