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 2 4.1 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(biāo)志 硬件設(shè)計人員采用各種手段實現(xiàn)它； 軟件設(shè)計人員則利用它編制各種各樣的系統(tǒng)軟 件和應(yīng)用軟件 （2）是硬件設(shè)計人員和軟件設(shè)計人員之間的 分界面，也是他們之間溝通的橋梁。 3 4.1 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(jié)構(gòu)來說，計算機的指令有微指令、機器指令 和宏指令之分。微

2、指令是微程序級的命令，它屬于硬件； 宏指令：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(shù)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(jié)構(gòu)，而且也直接影 響到系統(tǒng)軟件，影響到機器的適用范圍 4 4.1 指令系統(tǒng)的發(fā)展與性能要求 3、發(fā)展情況 復(fù)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

3、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(fù)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(shù)實現(xiàn)的精簡指令系統(tǒng) 計算機。 5 4.1 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(shè)計難度下降 6 4.1 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

4、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(shù)運算指令可支持字 節(jié)、字、雙字整數(shù)的運

5、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(guān) 系，以方便處理和存取。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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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。 7 4.1 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(guān)系 比較內(nèi)容高級語言低級語言 1 對程序員的訓(xùn)練要求 (1)通用算法 (2)語言規(guī)

6、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 編譯過程中對計算機資 源的要求 多 少 8 4.2 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(jié)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 9 4.2 指令格式 一、操作碼 設(shè)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(yīng)進行什么性質(zhì)的 操作，如進

7、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R0 R15，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

8、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(jié)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(yīng)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(jié)果替換了。 13 二、地址碼 二地址地址根據(jù)操作數(shù)的

9、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”、“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

10、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(jié)構(gòu)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的優(yōu)點：各種指令字長度隨指令功能而 異，結(jié)構(gòu)靈活，能充分利用指令長度，但指令的控制較復(fù) 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

11、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(jié)構(gòu)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

12、即數(shù)字段（04）構(gòu)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(fù)前綴指定串的重復(fù)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(rèn)段寄存器的情況 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。

13、 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(gòu)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)，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

14、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) 23 4.3 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(dāng)數(shù)據(jù)以這種方式看待時，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 . 24 4.4 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

15、碼 字段尋找相應(yīng)的操作數(shù)的方式，它與計算 機硬件結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)，而且對指令的格式 和功能有很大的影響。 25 4.4 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 26 4.4 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？ 27 4.4 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(shè)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。 28 29 1、隱含尋址 指令中隱含著操作數(shù)

16、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(shè)置標(biāo)志寄存器的C為1 30 2、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 31 2、立即尋址 特點：在取指令時，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

17、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)。 32 3、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。 33 3、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(guān)，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

18、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。 34 4、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) 35 4、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(yán)重降低了指令執(zhí)行的速 度。 36 5、寄存器尋址、寄存器尋址 在指令

19、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(yīng)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。 37 6、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

20、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。 38 7、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(zhǔn)地址，而指令的地址提供基準(zhǔn)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。 39 7、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，將程序安排在主存儲器 的任意位置都不會影響程序執(zhí)行的正確性。 40 8、基址尋址、基址尋址

21、 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(zhǔn)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(zhǔn) 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(shè)計時就事先規(guī)定，基址寄存器Rb 中的內(nèi)容稱為基準(zhǔn)地址，該值可正可負(fù)。 41 8、基址尋址、基址尋址 基址寄存器的位數(shù)可以設(shè)置得很長，從而可以 在較大的存儲空間中尋址。 42 9、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(zhǔn)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)。用哪一個寄存器作為變 址寄存器必須在硬件設(shè)計時就

22、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(fù)。 43 9、變址尋址、變址尋址 44 9、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(yīng)用就是將指令的地址碼部分給出的 地址A作為基準(zhǔn)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。 45 10、段尋址方式 46 尋址方式舉例： Pentium 47 Pentium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)+(

23、B) 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)+A 48 P118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(biāo)）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，

24、 LAD為取數(shù)指令。要求： （1）分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? 49 P118例4 F0F1 3CD2 1111 0000 1111 0001 0011 1100 1101 0010 3C15號寄存器13CD2 把主存13CD2的內(nèi)存裝載到15號寄存器 6FD6 0110111111010110由于是單字長指令，則一定是MOV指令。 則OP錯誤，修改為0010

25、10001101011028D6 50 4.5 典型指令 指令分類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(shù)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(quán)指令、其他 指令 51 4.5 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(shù)發(fā)展引起的問題 VLSI工藝要求規(guī)整性，而大量復(fù)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(fù)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(fù)雜程度。然而指令復(fù)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)行時間反而增加，因而在