計算機系統(tǒng)組成及結(jié)構(gòu) - 第5章

1、第第5章章 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng) 本章學(xué)習(xí)導(dǎo)讀：（1）指令的格式、尋址方式和功能分類。（2）RISC與CISC指令以及適于多媒體應(yīng)用的MMX指令。（3）典型計算機的指令系統(tǒng)。 計算機的指令有微指令、機器指令和宏指令之分。計算機的指令有微指令、機器指令和宏指令之分。 微指令是微程序級的命令，屬于硬件；微指令是微程序級的命令，屬于硬件； 宏指令是由若干機器指令組成，屬于軟件；宏指令是由若干機器指令組成，屬于軟件； 機器指令介于二者之間，因而是硬件和軟件的界面。機器指令介于二者之間，因而是硬件和軟件的界面。 一臺計算機能執(zhí)行的機器指令全體稱為該機的指令系一臺計算機能執(zhí)行的機器指令全體稱為該機的指令系統(tǒng)。

2、統(tǒng)。 指令系統(tǒng)是軟件編程的出發(fā)點和硬件設(shè)計的依據(jù)，它指令系統(tǒng)是軟件編程的出發(fā)點和硬件設(shè)計的依據(jù)，它衡量機器硬件的功能，反映硬件對軟件支持的程度。衡量機器硬件的功能，反映硬件對軟件支持的程度。5.1 指令格式指令格式 5.1.1 指令的格式指令的格式 指令一般的格式如下：指令一般的格式如下： 操作碼 OP 地址碼 D 按指令包含的地址的個數(shù)可分：按指令包含的地址的個數(shù)可分： 1、三地址指令、三地址指令 OPD1D2D3執(zhí)行（執(zhí)行（D1）OP（D2） D3 OPD1D2執(zhí)行（執(zhí)行（D1）OP（D2） D2 2、二地址指令、二地址指令3單地址指令單地址指令 OPD執(zhí)行（執(zhí)行（D）OP （A） A 4

3、、零地址指令、零地址指令 空操作、停機等不需要地址的指令空操作、停機等不需要地址的指令5.1.2 指令長度指令長度 指令指令長度長度選取選取原則：原則： 1. 指令長度應(yīng)為存儲器基本字長的整數(shù)倍指令長度應(yīng)為存儲器基本字長的整數(shù)倍2. 指令字長應(yīng)盡量短指令字長應(yīng)盡量短 指令短，可減少所需存儲量和加快運行速度，但不能指令短，可減少所需存儲量和加快運行速度，但不能為了使指令短而影響指令系統(tǒng)的完備性和規(guī)整性。為了使指令短而影響指令系統(tǒng)的完備性和規(guī)整性。5. 2 尋址方式尋址方式 指令如何指定操作數(shù)或操作數(shù)地址稱為尋址方式。指令如何指定操作數(shù)或操作數(shù)地址稱為尋址方式。 確定指令系統(tǒng)的尋址方式時，須考慮以

4、下幾點：確定指令系統(tǒng)的尋址方式時，須考慮以下幾點： 希望指令內(nèi)所含地址盡可能短；希望指令內(nèi)所含地址盡可能短； 希望能訪問盡可能大的存儲空間；希望能訪問盡可能大的存儲空間； 尋址方法盡可能簡單；尋址方法盡可能簡單； 在不改變指令的情況下，僅改變地址的實際值，從而在不改變指令的情況下，僅改變地址的實際值，從而能方便地訪問數(shù)組、串、表格等較復(fù)雜數(shù)據(jù)。能方便地訪問數(shù)組、串、表格等較復(fù)雜數(shù)據(jù)。 常用的尋址方式常用的尋址方式1. 立即尋址立即尋址 指令直接給出操作數(shù)本身，稱立即數(shù)尋址方式。指令直接給出操作數(shù)本身，稱立即數(shù)尋址方式。 OP操作數(shù)格式如下：操作碼存儲器地址 存儲器內(nèi)容8位立即數(shù)n+1操作碼n下

5、條指令n+2存儲器地址存儲器內(nèi)容n+2n+1n立即數(shù)高8位立即數(shù)低8位n+3下條指令(a) 8位立即數(shù)(b) 16位立即數(shù)圖5.1 按字節(jié)編址機器中的立即尋址指令2. 直接尋址直接尋址 指令直接給出操作數(shù)地址指令直接給出操作數(shù)地址 OP操作數(shù)地址格式如下：操作碼存儲器地址存儲器內(nèi)容n+2n+1n 操作數(shù)地址高8位 操作數(shù)地址低8位n+3下條指令圖5.2 按字節(jié)編址機器中的直接尋址指令3. 間接尋址間接尋址 指令給出存放操作數(shù)地址的存儲單元地址。指令給出存放操作數(shù)地址的存儲單元地址。 OP 間接地址格式如下：OP操作數(shù)有效地址主存 間接地址圖5.3 單級間接尋址4. 寄存器寄存器(直接直接)尋址

6、尋址 操作數(shù)在指令指定的操作數(shù)在指令指定的CPU的某個寄存器中。的某個寄存器中。OP寄存器號或OP寄存器號1寄存器號2 寄存器尋址有以下優(yōu)點：寄存器尋址有以下優(yōu)點： CPU寄存器數(shù)量遠小于內(nèi)存單元，所以寄存器號比寄存器數(shù)量遠小于內(nèi)存單元，所以寄存器號比內(nèi)存地址短，因而寄存器尋址方式指令短；內(nèi)存地址短，因而寄存器尋址方式指令短； 操作數(shù)已在操作數(shù)已在CPU中中,不用訪存，指令執(zhí)行速度快。不用訪存，指令執(zhí)行速度快。5寄存器間接尋址寄存器間接尋址 操作數(shù)地址在指令指定的操作數(shù)地址在指令指定的CPU某個寄存器中。某個寄存器中。 8086指令指令 MOV AX，BX 6寄存器變址寄存器變址 尋址尋址指令

7、指定一個指令指定一個CPU寄存器（稱為變址寄存器）和寄存器（稱為變址寄存器）和一個形式地址，操作數(shù)地址是二者之和。一個形式地址，操作數(shù)地址是二者之和。 data ndata 1data 2SI形式地址+圖5.4 變址尋址選擇數(shù)組數(shù)據(jù)OP寄存器號形式地址8086指令指令MOV AL，SI+1000H 7相對尋址相對尋址 相對尋址是把程序計數(shù)器相對尋址是把程序計數(shù)器PC的內(nèi)容，加上由指令給出的內(nèi)容，加上由指令給出的形式地址而形成操作數(shù)地址。的形式地址而形成操作數(shù)地址。8基址尋址基址尋址 把由指令中給出的地址把由指令中給出的地址(或稱位移量或稱位移量)與與CPU 中的某個中的某個基址寄存器相加而得到

8、實際的操作數(shù)地址?；芳拇嫫飨嗉佣玫綄嶋H的操作數(shù)地址。 變址尋址主要解決程序內(nèi)部的循環(huán)問題，基址尋址則變址尋址主要解決程序內(nèi)部的循環(huán)問題，基址尋址則要求基址寄存器的內(nèi)容能提供整個主存范圍的尋址能要求基址寄存器的內(nèi)容能提供整個主存范圍的尋址能力；在多道程序運行環(huán)境下，實現(xiàn)程序的再定位。力；在多道程序運行環(huán)境下，實現(xiàn)程序的再定位。 9隱含尋址方式隱含尋址方式 指令沒有明顯地給出操作數(shù)地址，而在操作碼中隱含指令沒有明顯地給出操作數(shù)地址，而在操作碼中隱含著操作數(shù)地址。如操作數(shù)隱含在累加器，堆棧內(nèi)。著操作數(shù)地址。如操作數(shù)隱含在累加器，堆棧內(nèi)。 10其它尋址方式其它尋址方式 有的計算機指令系統(tǒng)中還有更復(fù)

9、雜的尋址方式，如基有的計算機指令系統(tǒng)中還有更復(fù)雜的尋址方式，如基址變址尋址、位尋址、塊尋址、串尋址等等。址變址尋址、位尋址、塊尋址、串尋址等等。 在使用機器時，不僅要了解該機總體上有哪些尋址方在使用機器時，不僅要了解該機總體上有哪些尋址方式，還應(yīng)了解各指令具體有哪些尋址方式。式，還應(yīng)了解各指令具體有哪些尋址方式。5. 3 指令類型指令類型 設(shè)計一臺計算機的指令系統(tǒng)的功能時，須考慮的幾設(shè)計一臺計算機的指令系統(tǒng)的功能時，須考慮的幾個原則：個原則： 完備性或完整性完備性或完整性： 指令系統(tǒng)的功能應(yīng)盡量完備，但較復(fù)雜的功能可以通指令系統(tǒng)的功能應(yīng)盡量完備，但較復(fù)雜的功能可以通過程序?qū)崿F(xiàn)。過程序?qū)崿F(xiàn)。 兼

10、容性兼容性： 高檔機的指令系統(tǒng)兼容以前的低檔機的指令系統(tǒng)，給高檔機的指令系統(tǒng)兼容以前的低檔機的指令系統(tǒng)，給軟件資源重復(fù)利用帶來方便。軟件資源重復(fù)利用帶來方便。 均勻性均勻性： 數(shù)據(jù)處理指令能對多種類型的數(shù)據(jù)進行處理，包括三數(shù)據(jù)處理指令能對多種類型的數(shù)據(jù)進行處理，包括三種整數(shù)種整數(shù)(字節(jié)、字、雙字字節(jié)、字、雙字)和兩種浮點數(shù)和兩種浮點數(shù)(單精度和雙精單精度和雙精度浮點數(shù)度浮點數(shù))。 可擴充性可擴充性： 操作碼字段要保留一定的空間，以便需要時進行功能操作碼字段要保留一定的空間，以便需要時進行功能擴充。擴充。1指令按功能分類：指令按功能分類：算術(shù)和邏輯運算指令算術(shù)和邏輯運算指令 有加（有加（ADD）

11、、減（）、減（SUB）、比較（）、比較（CMP）、乘（）、乘（MUL）、除（）、除（DIV）、與（）、與（AND）、或（）、或（OR）、?。⑷》矗ǚ矗∟OT）、）、 變補（變補（NEG）、異或（）、異或（XOR）、加）、加1（INC）、減）、減1（DEC） 等。等。 帶進位的加（帶進位的加（ADC ）和帶借位的減（）和帶借位的減（SBB ）指令；）指令；十進制數(shù)的運算指令等。十進制數(shù)的運算指令等。(2) 移位指令和循環(huán)指令移位指令和循環(huán)指令 算術(shù)移位、邏輯移位、環(huán)移、半字交換等。算術(shù)移位、邏輯移位、環(huán)移、半字交換等。 算術(shù)移位：算術(shù)移位： 算術(shù)左移：操作數(shù)的各位依次向左移一位，最低位補算術(shù)左

12、移：操作數(shù)的各位依次向左移一位，最低位補零；原操作數(shù)的最高位移入零；原操作數(shù)的最高位移入C 標志位。標志位。 算術(shù)右移：操作數(shù)的各位依次向右移一位，最高位（算術(shù)右移：操作數(shù)的各位依次向右移一位，最高位（符號位）不變；原操作數(shù)的最低位移入符號位）不變；原操作數(shù)的最低位移入C 標志位。標志位。10100011操作數(shù)移位前：移位后：101000110操作數(shù)C標志C標志0(a) 算術(shù)左移移位前：移位后：11010001101000100操作數(shù)操作數(shù)C標志C標志(b) 算術(shù)右移圖5.5 算術(shù)移位 邏輯移位：邏輯移位： 邏輯左移：操作同算術(shù)左移，大多數(shù)機器一般不再專邏輯左移：操作同算術(shù)左移，大多數(shù)機器一般

13、不再專門設(shè)置此指令。門設(shè)置此指令。 邏輯右移：操作數(shù)的各位依次向右移一位，最高位補邏輯右移：操作數(shù)的各位依次向右移一位，最高位補零。原操作數(shù)的最低位移入零。原操作數(shù)的最低位移入C標志位。標志位。移位前：移位后：01010001101000100操作數(shù)操作數(shù)C標志C標志圖5.6 邏輯右移 環(huán)移：環(huán)移： 小環(huán)移小環(huán)移 小循環(huán)左移，最高位移入小循環(huán)左移，最高位移入C標志，同時移入最低位。標志，同時移入最低位。1) 小循環(huán)右移，最低位移入小循環(huán)右移，最低位移入C標志，同時移入最高位標志，同時移入最高位。C標志操作數(shù)(a) 小循環(huán)左移C標志操作數(shù)(b) 小循環(huán)右移圖5.7 小環(huán)移(a) 大循環(huán)左移(b)

14、 大循環(huán)右移圖5.8 大環(huán)移C標志操作數(shù)操作數(shù)2) 大環(huán)移大環(huán)移 大循環(huán)左移，最高位移入大循環(huán)左移，最高位移入C標志，標志，C標志移入最低位。標志移入最低位。 大循環(huán)右移，最低位移入大循環(huán)右移，最低位移入C標志，標志，C標志移入最高位。標志移入最高位。 半字交換半字交換交換前：0100100001101110交換后：0110111001001000圖 5.9 半字交換(3) 傳送類指令傳送類指令 有：傳送（有：傳送（MOV）（源操作數(shù)）（源操作數(shù)目標操作數(shù)）、取目標操作數(shù)）、取數(shù)（數(shù)（LDA）（數(shù)由內(nèi)存）（數(shù)由內(nèi)存CPU寄存器）、存數(shù)（寄存器）、存數(shù)（STA）（數(shù)由）（數(shù)由CPU寄存器寄存器內(nèi)

15、存）、交換（內(nèi)存）、交換（XCHG）（源）（源操作數(shù)和目標操作數(shù)交換）等。操作數(shù)和目標操作數(shù)交換）等。(4) 串指令串指令： 對字符串進行操作的指令。如有串傳送、比較、檢索對字符串進行操作的指令。如有串傳送、比較、檢索、傳送轉(zhuǎn)換等指令。、傳送轉(zhuǎn)換等指令。(5) 順序控制指令順序控制指令： 用來控制程序執(zhí)行的順序。有條件轉(zhuǎn)移、無條件轉(zhuǎn)移用來控制程序執(zhí)行的順序。有條件轉(zhuǎn)移、無條件轉(zhuǎn)移（JMP）、跳步（）、跳步（SKIP）、轉(zhuǎn)子（）、轉(zhuǎn)子（CALL）、返主（）、返主（RET）等指令。）等指令。 (7) 輸入、輸出指令輸入、輸出指令： 用于完成用于完成CPU與外部設(shè)備交換數(shù)據(jù)或傳送控制命令及與外部設(shè)備

16、交換數(shù)據(jù)或傳送控制命令及狀態(tài)信息。狀態(tài)信息。(6) CPU控制指令：控制指令： 有停機、開中斷、關(guān)中斷以及改變執(zhí)行特權(quán)、進入特有停機、開中斷、關(guān)中斷以及改變執(zhí)行特權(quán)、進入特殊處理程序等指令。大多數(shù)只能用于操作系統(tǒng)等系統(tǒng)殊處理程序等指令。大多數(shù)只能用于操作系統(tǒng)等系統(tǒng)軟件。軟件。2. 按操作數(shù)個數(shù)分有：按操作數(shù)個數(shù)分有：(1) 雙操作數(shù)指令：如：雙操作數(shù)指令：如：ADD、SUB、AND等等(2) 單操作數(shù)指令：如：單操作數(shù)指令：如：NEG、NOT、INC、DEC等等(3) 無操作數(shù)指令：如：空操作（無操作數(shù)指令：如：空操作（NOP）、停機，開中）、停機，開中斷、關(guān)中斷等。斷、關(guān)中斷等。3. 按操作

17、數(shù)尋址方式分有按操作數(shù)尋址方式分有： R-R型：兩個操作數(shù)都在型：兩個操作數(shù)都在CPU的寄存器中。的寄存器中。 R-S型：兩個操作數(shù)中一個在型：兩個操作數(shù)中一個在CPU寄存器中，另一寄存器中，另一個在內(nèi)存中。個在內(nèi)存中。 (3) S-S型：兩個操作數(shù)都在內(nèi)存中型：兩個操作數(shù)都在內(nèi)存中 。5. 4 堆棧和堆棧存取方式堆棧和堆棧存取方式 堆棧是一種特定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)堆棧是一種特定的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),其特點是后進先出其特點是后進先出(LIFO)或先進后出或先進后出(FILO)。 1. 用移位寄存器用移位寄存器實現(xiàn)堆棧實現(xiàn)堆棧 棧頂空棧： 棧底 棧頂存入b:ba 棧底 棧頂取出b:a 棧底 圖5.10棧頂固定方式

18、堆棧及其存取 棧頂存入a:a 棧底 用若干移位寄存器用若干移位寄存器構(gòu)成，又叫棧頂固構(gòu)成，又叫棧頂固定方式堆棧。定方式堆棧。 2. 內(nèi)存中開辟堆棧區(qū)內(nèi)存中開辟堆棧區(qū) 這種堆棧，存儲器單元固定，而棧頂位置動態(tài)變化。這種堆棧，存儲器單元固定，而棧頂位置動態(tài)變化。在在CPU中專門設(shè)置堆棧指針中專門設(shè)置堆棧指針SP，指示棧頂位置，存取，指示棧頂位置，存取只能在棧頂進行。只能在棧頂進行。1)自底向上生成堆棧：自底向上生成堆棧： 建棧時堆棧指針建棧時堆棧指針SP指向棧底下面一個單元（棧底是堆指向棧底下面一個單元（棧底是堆棧中地址最大的單元）；棧中地址最大的單元）； 入棧操作（入棧操作（PUSH）步驟：）步

19、驟：i)SP-1SP ii)存入數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)（SP） 出棧操作（出棧操作（POP）步驟：）步驟： i)（SP）內(nèi)容讀出）內(nèi)容讀出 ii) SP+1SP 1FFD 1FFE 1FFF 2000棧底堆棧指針SP2000（a） 建棧 1FFD 1FFE 1FFF 2000棧底a堆棧指針SP1FFF（b） a入棧 1FFD 1FFE 1FFF 2000棧底a堆棧指針SP1FFF（d） b出棧圖5.11 自底向上生成堆棧 1FFD 1FFE 1FFF 2000棧底ba堆棧指針SP1FFE（c） b入棧2)自頂向下生成堆棧：自頂向下生成堆棧： 這種堆棧建棧時堆棧指針這種堆棧建棧時堆棧指針SP指向棧底上面一

20、個單元（指向棧底上面一個單元（棧底是堆棧中地址最小的單元），棧底是堆棧中地址最小的單元）， 入棧操作（入棧操作（PUSH）步驟：）步驟： i) SP+1SP ii)存入數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)（SP） 出棧操作（出棧操作（POP）步驟：）步驟： i)（SP）內(nèi)容讀出）內(nèi)容讀出 ii) SP-1SP 指針變化方向不同。指針變化方向不同。5. 5 指令系統(tǒng)舉例指令系統(tǒng)舉例 5.5.1 IBM 370系列機指令格式系列機指令格式 RRE、S、SSE型指令的操作碼為型指令的操作碼為16位，其余指令的位，其余指令的操作碼均為操作碼均為8位。位。 操作碼的第操作碼的第0位和第位和第1位組成四種不同的編碼位組成四種不同

21、的編碼 00表示表示RR型指令，型指令，01表示表示RX型指令，型指令，10表示表示RRE型型、RS型、型、S型及型及SI型指令，型指令，11表示表示SS型和型和SSE型指令型指令 RR和和RRE型指令都是寄存器型指令都是寄存器-寄存器型指令寄存器型指令 RX和和RS型指令都是寄存器型指令都是寄存器-存儲器型指令，第一個操存儲器型指令，第一個操作數(shù)和結(jié)果放在作數(shù)和結(jié)果放在R1中，另一個操作數(shù)在主存中。中，另一個操作數(shù)在主存中。 采用變址尋址方式，有效地址采用變址尋址方式，有效地址=（X2）+（B2）+D2，B2為基址寄存器，為基址寄存器，D2為位移量，為位移量，x為變址寄存器號。為變址寄存器號

22、。 RS型是三地址指令：型是三地址指令：R1存放結(jié)果，存放結(jié)果，R2放一個源操作放一個源操作數(shù)，另一個源操作數(shù)在主存中；數(shù)，另一個源操作數(shù)在主存中； 有效地址有效地址=（B2）+D2。 SI型是立即數(shù)指令型是立即數(shù)指令 S型是單操作數(shù)指令型是單操作數(shù)指令 SS和和SSE型指令是可變字長指令，用于字符串的運型指令是可變字長指令，用于字符串的運算和處理，算和處理，L為串之長度。為串之長度。 SSE指令與指令與SS指令之差別是指令之差別是 SS指令中的指令中的L字段字段(8-15位位)擴展成操作碼。擴展成操作碼。5.5.2 PDP-11指令格式指令格式 PDP-11是一個具有是一個具有8個寄存器（個

23、寄存器（R0-R7）、）、16位字長位字長的小型計算機。其中，的小型計算機。其中，R0-R5為通用寄存器，為通用寄存器，R7是程是程序計數(shù)器序計數(shù)器PC，R6是棧指針是棧指針SP。存儲器按字節(jié)編址。存儲器按字節(jié)編址。 雙操作數(shù)指令：操作碼雙操作數(shù)指令：操作碼4位，每個地址碼位，每個地址碼6位，地址位，地址碼由碼由3位寄存器號和位寄存器號和3位尋址方式字段構(gòu)成。位尋址方式字段構(gòu)成。 單操作數(shù)指令：操作碼單操作數(shù)指令：操作碼10位，地址碼位，地址碼6位。位。 轉(zhuǎn)移指令：轉(zhuǎn)移地址轉(zhuǎn)移指令：轉(zhuǎn)移地址(相對轉(zhuǎn)移相對轉(zhuǎn)移)由由8位位移量指出；位位移量指出； 條件碼操作指令：低條件碼操作指令：低5位為條件標

24、志。位為條件標志。例例1 某計算機字長某計算機字長16bit，主存容量，主存容量64K。指令系統(tǒng)共有。指令系統(tǒng)共有58條指令，有直接、間接、相對和變址四種尋址條指令，有直接、間接、相對和變址四種尋址方式，指令為單字長單地址指令。請設(shè)計該指令方式，指令為單字長單地址指令。請設(shè)計該指令系統(tǒng)的指令格式。系統(tǒng)的指令格式。 解：解： 單地址指令格式為單地址指令格式為OPMD 計算機字長為計算機字長為16bit，指令為單字長，所以指令字長為，指令為單字長，所以指令字長為16bit；因；因26=6458，所以操作碼為，所以操作碼為6bit。16-6-2=8，剩，剩余余8位作形式地址。位作形式地址。OPMD6

25、 2 8 設(shè)計指令格式為設(shè)計指令格式為00 直接尋址直接尋址 E=D（0255）01 間接尋址間接尋址 E=(D) (216=64K) 變址尋址變址尋址 E=RX+D (RX 變址寄存器）變址寄存器）10 11 相對尋址相對尋址 E=PC+D（PC 程序計數(shù)器）程序計數(shù)器） 一條指令包含下列信息：一條指令包含下列信息： 操作碼，操作數(shù)的地址，操作結(jié)果的存放地址，下一操作碼，操作數(shù)的地址，操作結(jié)果的存放地址，下一條指令的地址（順序、轉(zhuǎn)移和調(diào)子程序條指令的地址（順序、轉(zhuǎn)移和調(diào)子程序)。例例2 某存儲器堆棧，棧底地址某存儲器堆棧，棧底地址 Bottom=3000H，棧中，棧中已壓入兩個數(shù)據(jù)已壓入兩個

26、數(shù)據(jù)a和和b，SP為堆棧指針。為堆棧指針。（1）畫出此時堆棧示意圖。）畫出此時堆棧示意圖。（2）現(xiàn)將數(shù)據(jù)）現(xiàn)將數(shù)據(jù) c，d 和和 e 按順序壓入堆棧，且用累加按順序壓入堆棧，且用累加器器AC 進行數(shù)據(jù)交換，寫出數(shù)據(jù)入棧步驟，畫出數(shù)進行數(shù)據(jù)交換，寫出數(shù)據(jù)入棧步驟，畫出數(shù)據(jù)入棧后的堆棧情況。據(jù)入棧后的堆棧情況。（3）寫出數(shù)據(jù)）寫出數(shù)據(jù) e 出棧的操作步驟。出棧的操作步驟。解：（解：（1）堆棧情況如下圖所示）堆棧情況如下圖所示（2）數(shù)據(jù)入棧操作）數(shù)據(jù)入棧操作AC c；SP SP-1；(SP) ACAC d；SP SP-1；(SP) ACAC e；SP SP-1；(SP) AC（3）數(shù)據(jù)）數(shù)據(jù) e 的

27、出棧操作的出棧操作AC (SP)SP SP+15.5.3Pentium指令系統(tǒng)指令系統(tǒng) 指令格式指令格式 Pentium采用可變長指令格式，最短的指令只有一采用可變長指令格式，最短的指令只有一個字節(jié)，最長的指令可有十幾個字節(jié)。個字節(jié)，最長的指令可有十幾個字節(jié)。 指令前綴段前綴操作數(shù)長度地址長度 0或10或1 0或1 0或1前綴類型：字節(jié)數(shù)： 指令組成：指令組成： 前綴：位于指令操作碼前，各類前綴的字節(jié)數(shù)如下前綴：位于指令操作碼前，各類前綴的字節(jié)數(shù)如下: : 前綴不是每條指令必須有的。如有的話，各種前綴也前綴不是每條指令必須有的。如有的話，各種前綴也都是可選的。都是可選的。 指令：指令各部分的長

28、度和含義如下：指令：指令各部分的長度和含義如下：操作碼尋址方式 SIB 位移直接數(shù)據(jù)1或20或10或11、2、4立即數(shù)指令段： 字節(jié)數(shù)：ModSSR/MReg/OPBaseIndex7651234670234501圖5.14 Pentium指令格式 操作碼：操作碼： 指定指令的操作，還指明數(shù)據(jù)是字節(jié)還是全字長；指指定指令的操作，還指明數(shù)據(jù)是字節(jié)還是全字長；指明明REG字段指定的寄存器是源還是目標字段指定的寄存器是源還是目標 。 尋址方式字節(jié)：尋址方式字節(jié)： 由由MOD和和R/M聯(lián)合指定聯(lián)合指定8種寄存器尋址和種寄存器尋址和24種變址尋種變址尋址方式，址方式，reg/OP指定某個寄存器為操作數(shù)或

29、作為操作指定某個寄存器為操作數(shù)或作為操作碼的擴展用。碼的擴展用。 SIB： SS指定比例系數(shù)（變址尋址方式時用）；指定比例系數(shù)（變址尋址方式時用）；Index指定指定變址寄存器；變址寄存器；Base指定基址寄存器。指定基址寄存器。操作碼尋址方式 SIB 位移直接數(shù)據(jù)1或20或10或11、2、4立即數(shù)指令段： 字節(jié)數(shù)：ModSSR/MReg/OPBaseIndex7651234670234501圖5.14 Pentium指令格式2. 尋址方式尋址方式 (1) Pentium物理地址的形成物理地址的形成 Pentium的邏輯地址包括段和偏移量，段號經(jīng)過段表的邏輯地址包括段和偏移量，段號經(jīng)過段表直接

30、得到該段的首地址，和有效地址相加形成一維的直接得到該段的首地址，和有效地址相加形成一維的線性地址。線性地址。 邏輯地址段偏移.目錄頁號位移 線性地址.物理地址頁目錄表頁表段表 圖5.15 Pentium物理地址的形成(2) Pentium的尋址方式的尋址方式 表5.1 Pentium的尋址方式 尋址方式 說明立即尋址指令直接給出操作數(shù)指定的寄存器R的內(nèi)容為操作數(shù)寄存器尋址位移LA=（SR）+A基址尋址LA=（SR）+（B）基址加位移LA=（SR）+（B）+A比例變址加位移LA=（SR）+(I)S + ALA=（SR）+（B）+（I）+ALA=（SR）+（B）+(I)S + ALA=(PC)+A

31、基址加變址加位移基址加比例變址加位移相對尋址注：LA:線性地址 (X):X的內(nèi)容 SR:段寄存器B:基址寄存器 I:變址寄存器 S:比例系數(shù) PC:程序計數(shù)器A:指令中給定地址段的位移量R:寄存器5.5.4 Power PC指令系統(tǒng)指令系統(tǒng) PowerPC為為RISC計算機，其指令格式和尋址方式要計算機，其指令格式和尋址方式要比一般比一般CISC機簡單、規(guī)整。機簡單、規(guī)整。 1指令格式指令格式 Power PC采用單一的采用單一的32位指令長度，格式規(guī)整；所位指令長度，格式規(guī)整；所有指令的最高有指令的最高6位都是操作碼，有的指令將其它一些位都是操作碼，有的指令將其它一些位位(X0)作為操作碼擴

32、展。作為操作碼擴展。 轉(zhuǎn)移指令轉(zhuǎn)移指令 鏈接指示（鏈接指示（L），表示是否將緊接著該指令的指令地址），表示是否將緊接著該指令的指令地址送入鏈接寄存器（返回地址）。送入鏈接寄存器（返回地址）。 A標志位，指明地址是絕對地址還是相對于標志位，指明地址是絕對地址還是相對于PC的地址。的地址。 CR 位字段指明轉(zhuǎn)移條件要對條件寄存器（標志寄存器位字段指明轉(zhuǎn)移條件要對條件寄存器（標志寄存器）中哪一位進行測試。）中哪一位進行測試。 選項字段選項字段(5位位)指定如下幾個轉(zhuǎn)移方法：指定如下幾個轉(zhuǎn)移方法： 總是轉(zhuǎn)移?？偸寝D(zhuǎn)移。 如果計數(shù)如果計數(shù)0，且測試的條件為真則轉(zhuǎn)移。，且測試的條件為真則轉(zhuǎn)移。 如果計數(shù)如

33、果計數(shù)0，且測試的條件為假則轉(zhuǎn)移。，且測試的條件為假則轉(zhuǎn)移。 如果計數(shù)如果計數(shù)0，且測試的條件為真則轉(zhuǎn)移。，且測試的條件為真則轉(zhuǎn)移。 如果計數(shù)如果計數(shù)0，且測試的條件為假則轉(zhuǎn)移。，且測試的條件為假則轉(zhuǎn)移。 如果計數(shù)如果計數(shù)0，轉(zhuǎn)移。，轉(zhuǎn)移。 如果測試的條件為真，則轉(zhuǎn)移。如果測試的條件為真，則轉(zhuǎn)移。 如果測試的條件為假，則轉(zhuǎn)移。如果測試的條件為假，則轉(zhuǎn)移。 取數(shù)取數(shù)/存數(shù)指令存數(shù)指令 條件寄存器指令條件寄存器指令 R標志位，用來表示是否將運算結(jié)果的有關(guān)標志寫入標志位，用來表示是否將運算結(jié)果的有關(guān)標志寫入到條件寄存器中去，這在條件轉(zhuǎn)移預(yù)測時很有用。到條件寄存器中去，這在條件轉(zhuǎn)移預(yù)測時很有用。 2.

34、 尋址方式尋址方式 (1) 取數(shù)取數(shù)/存數(shù)指令的尋址方式存數(shù)指令的尋址方式 間接尋址間接尋址 有效地址有效地址EA=(BR)+D，BR為基址寄存器；為基址寄存器； D為為16位位(有正負有正負)的位移量。的位移量。 間接變址尋址間接變址尋址 有效地址有效地址EA=(BR)+(IR)，IR為變址寄存器，任一通為變址寄存器，任一通用寄存器也均可作為變址寄存器。用寄存器也均可作為變址寄存器?；芳拇嫫?BR) 變址寄存器(IR)邏輯地址 至地址轉(zhuǎn)換機構(gòu) (b) 變址間接尋址基址寄存器(BR) 有符號位移 D邏輯地址 至地址轉(zhuǎn)換機構(gòu) (a) 間接尋址 圖5.16 Power PC訪存指令尋址方式 (2

35、) 轉(zhuǎn)移指令的尋址方式轉(zhuǎn)移指令的尋址方式 絕對地址：絕對地址： 無條件轉(zhuǎn)移和條件轉(zhuǎn)移：指令分別給出無條件轉(zhuǎn)移和條件轉(zhuǎn)移：指令分別給出24位和位和16位地位地址，均擴展為址，均擴展為32位后形成轉(zhuǎn)移地址。位后形成轉(zhuǎn)移地址。 擴展的方法：最低端補兩個零，高端進行符號擴展。擴展的方法：最低端補兩個零，高端進行符號擴展。 相對尋址：相對尋址： 無條件轉(zhuǎn)移，指令給出無條件轉(zhuǎn)移，指令給出24位地址，將它按前述方法擴位地址，將它按前述方法擴展后和展后和PC相加即為下條指令地址；相加即為下條指令地址； 條件轉(zhuǎn)移，指令給出條件轉(zhuǎn)移，指令給出14位地址，按前述方法擴展后和位地址，按前述方法擴展后和PC相加作為下條

36、指令地址。相加作為下條指令地址。3. 算術(shù)指令的尋址方式算術(shù)指令的尋址方式 整數(shù)算術(shù)指令采用寄存器尋址或立即尋址，立即數(shù)是整數(shù)算術(shù)指令采用寄存器尋址或立即尋址，立即數(shù)是16位有符號數(shù)。浮點算術(shù)指令只可采用寄存器尋址。位有符號數(shù)。浮點算術(shù)指令只可采用寄存器尋址。 間接尋址：間接尋址： 下條指令的有效地址存放于鏈接寄存器或計數(shù)寄存器下條指令的有效地址存放于鏈接寄存器或計數(shù)寄存器中。若采用計數(shù)寄存器，此時計數(shù)寄存器不能再作計中。若采用計數(shù)寄存器，此時計數(shù)寄存器不能再作計數(shù)器用。數(shù)器用。5. 6 CISC與與RISC指令指令 1背景背景 計算機的硬件成本不斷下降，軟件成本不斷上升；計算機的硬件成本不斷

37、下降，軟件成本不斷上升； 指令系統(tǒng)增加了越來越多功能強大的復(fù)雜命令，以便指令系統(tǒng)增加了越來越多功能強大的復(fù)雜命令，以便使機器指令的功能接近高級語言語句的功能；使機器指令的功能接近高級語言語句的功能； 目前許多計算機的指令系統(tǒng)可包含幾百條指令，十多目前許多計算機的指令系統(tǒng)可包含幾百條指令，十多種尋址方式，這對簡化匯編語言設(shè)計，提高高級語言種尋址方式，這對簡化匯編語言設(shè)計，提高高級語言的執(zhí)行效率是有利的。的執(zhí)行效率是有利的。 “復(fù)雜指令集計算機復(fù)雜指令集計算機”，簡稱，簡稱CISC(Complex Instruction Set Computer)的提出。的提出。 指令系統(tǒng)越來越復(fù)雜的出發(fā)點：指令

38、系統(tǒng)越來越復(fù)雜的出發(fā)點： 使目標程序得到優(yōu)化：把原來要用一段程序才能完使目標程序得到優(yōu)化：把原來要用一段程序才能完成的功能，只用一條指令來實現(xiàn)。成的功能，只用一條指令來實現(xiàn)。 給高級語言提供更好的支持：改進指令系統(tǒng)，設(shè)置給高級語言提供更好的支持：改進指令系統(tǒng)，設(shè)置一些在語義上接近高級語言語句的指令，就可以減輕一些在語義上接近高級語言語句的指令，就可以減輕編譯的負擔(dān)，提高編譯效率。編譯的負擔(dān)，提高編譯效率。 提供對操作系統(tǒng)的支持：操作系統(tǒng)日益發(fā)展，其功提供對操作系統(tǒng)的支持：操作系統(tǒng)日益發(fā)展，其功能也日趨復(fù)雜，這就要求指令系統(tǒng)提供越來越復(fù)雜能也日趨復(fù)雜，這就要求指令系統(tǒng)提供越來越復(fù)雜的功能。的功能

39、。 龐大的指令系統(tǒng)中，只有算術(shù)邏輯運算、數(shù)據(jù)傳送、轉(zhuǎn)龐大的指令系統(tǒng)中，只有算術(shù)邏輯運算、數(shù)據(jù)傳送、轉(zhuǎn)移、子程序調(diào)用等幾十條基本指令才是常使用的，在程移、子程序調(diào)用等幾十條基本指令才是常使用的，在程序中出現(xiàn)的概率占到序中出現(xiàn)的概率占到80%以上；以上； 復(fù)雜的指令系統(tǒng)帶來的問題復(fù)雜的指令系統(tǒng)帶來的問題 計算機的結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜，不僅增加了計算機的研制計算機的結(jié)構(gòu)也越來越復(fù)雜，不僅增加了計算機的研制周期和成本，而且難以保證其正確性，有時還可能降低周期和成本，而且難以保證其正確性，有時還可能降低系統(tǒng)的性能。系統(tǒng)的性能。 需要大量硬件支持的復(fù)雜指令的利用率卻很低，造成了需要大量硬件支持的復(fù)雜指令的利用

40、率卻很低，造成了硬件資源的大量浪費。硬件資源的大量浪費。 各種高級語言的語義之間有很大差別。不可能設(shè)計出各種高級語言的語義之間有很大差別。不可能設(shè)計出一種能對所有高級語言都能提供很好支持的指令系統(tǒng)一種能對所有高級語言都能提供很好支持的指令系統(tǒng)。 精簡指令集計算機精簡指令集計算機RISC（Reduced Instruction Set Computer）的提出。）的提出。 指令系統(tǒng)越復(fù)雜，包含的指令越多，編譯時生成目標指令系統(tǒng)越復(fù)雜，包含的指令越多，編譯時生成目標程序的方法也越多，對最終優(yōu)化編譯造成困難。程序的方法也越多，對最終優(yōu)化編譯造成困難。2精簡指令系統(tǒng)計算機特點精簡指令系統(tǒng)計算機特點 通

41、過簡化指令使計算機的結(jié)構(gòu)更加簡單合理，從而提通過簡化指令使計算機的結(jié)構(gòu)更加簡單合理，從而提高機器的性能。高機器的性能。 指令數(shù)目較少，一般都選用使用頻度最高的一些簡指令數(shù)目較少，一般都選用使用頻度最高的一些簡單指令；單指令； 指令長度固定，指令格式種類少，尋址方式種類少；指令長度固定，指令格式種類少，尋址方式種類少； 大多數(shù)指令可在一個機器周期內(nèi)完成；大多數(shù)指令可在一個機器周期內(nèi)完成； 通用寄存器數(shù)量多，只有存數(shù)通用寄存器數(shù)量多，只有存數(shù)/取數(shù)指令訪問存儲器取數(shù)指令訪問存儲器，而其余指令均在寄存器之間進行操作。，而其余指令均在寄存器之間進行操作。 采用采用RISC技術(shù)技術(shù) 指令系統(tǒng)可以采用速度

42、較快的硬連線邏輯來實現(xiàn)，且指令系統(tǒng)可以采用速度較快的硬連線邏輯來實現(xiàn)，且更適合于采用指令流水技術(shù)，可使指令的執(zhí)行速度進更適合于采用指令流水技術(shù)，可使指令的執(zhí)行速度進一步提高。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，編譯時間少，反過來對編譯統(tǒng)中的指令都是精選的，編譯時間少，反過來對編譯程序的優(yōu)化又是有利的。程序的優(yōu)化又是有利的。 CISC和和RISC技術(shù)都在發(fā)展，兩者都各有自己的優(yōu)點技術(shù)都在發(fā)展，兩者都各有自己的優(yōu)點和缺點。但是和缺點。但是RISC技術(shù)作為一種新的設(shè)計思想，無疑技術(shù)作為一種新的設(shè)計思想，無疑對計

43、算機的發(fā)展產(chǎn)生重大影響。對計算機的發(fā)展產(chǎn)生重大影響。3CISC與與RISC之爭論之爭論 70年代中期，年代中期，IBM公司、斯坦福大學(xué)、加州大學(xué)伯克公司、斯坦福大學(xué)、加州大學(xué)伯克利分校等機構(gòu)分別先后開始對利分校等機構(gòu)分別先后開始對CISC技術(shù)進行研究，其技術(shù)進行研究，其成果分別用于成果分別用于IBM、SUN、MIPS等公司的產(chǎn)品中；等公司的產(chǎn)品中； 八十年代中期，八十年代中期，RISC技術(shù)蓬勃發(fā)展，先后出現(xiàn)了技術(shù)蓬勃發(fā)展，先后出現(xiàn)了PowerPC、MIPSR4400、MC88000、Super Spare、Intel0860等高性能等高性能RISC芯片以及相應(yīng)的計算機；芯片以及相應(yīng)的計算機；

44、RISC也隨著速度、芯片密度的不斷提高，使也隨著速度、芯片密度的不斷提高，使RISC系系統(tǒng)日趨復(fù)雜；統(tǒng)日趨復(fù)雜； CISC機采用了部分機采用了部分RISC先進技術(shù)先進技術(shù)(強調(diào)指令流水線、強調(diào)指令流水線、分級分級Cache 和多設(shè)通用寄存器和多設(shè)通用寄存器)，其性能更加提高。，其性能更加提高。5.7 MMX技術(shù)技術(shù) MMX(Microprocessor Media Extension)是是Intel公司為公司為提高提高PC機處理多媒體和通信能力而推出的新一代處理機處理多媒體和通信能力而推出的新一代處理器技術(shù)，增加器技術(shù)，增加8個個64位寄存器和位寄存器和57條新指令來實現(xiàn)。條新指令來實現(xiàn)。 M

45、MX的由來與特點的由來與特點 多媒體應(yīng)用中的圖形、圖像、視頻、音頻的操作多媒體應(yīng)用中的圖形、圖像、視頻、音頻的操作中存在大量共同特征的操作：中存在大量共同特征的操作： 短整數(shù)類型的并行操作短整數(shù)類型的并行操作(如如8位圖形象素和位圖形象素和16位音頻信號位音頻信號)； 頻繁的乘法累加頻繁的乘法累加(如如FIR濾波，矩陣運算濾波，矩陣運算)； 短數(shù)據(jù)的高度循環(huán)運算短數(shù)據(jù)的高度循環(huán)運算(如快速傅里葉變換如快速傅里葉變換FFT、離散、離散余弦變換余弦變換DCT)； 計算密集型算法計算密集型算法(如三維圖形、視頻壓縮如三維圖形、視頻壓縮)； 高度并行操作高度并行操作(如圖像處理如圖像處理)。 MMX技

46、術(shù)與以前的技術(shù)與以前的Intel CPU(簡稱簡稱IA-Intel Architecture)結(jié)構(gòu)相比，增加的功能。結(jié)構(gòu)相比，增加的功能。 引進了新的數(shù)據(jù)類型和通用寄存器引進了新的數(shù)據(jù)類型和通用寄存器 MMX技術(shù)的主要數(shù)據(jù)類型為定點緊縮技術(shù)的主要數(shù)據(jù)類型為定點緊縮(Packed)整數(shù)整數(shù)，它定義了，它定義了4種新的種新的64位數(shù)據(jù)類型。位數(shù)據(jù)類型。63 56 55 4831 24 23 16 15 8 7 063 4863 0緊縮字節(jié)緊縮字4字緊縮雙字圖5.17 MMX技術(shù)引入的數(shù)據(jù)類型47323116150 47 406332 3103239(2) 采用采用SIMD(Single Instr

47、uction Multi Data技術(shù)技術(shù)單條指令同時并行地處理多個數(shù)據(jù)元素，提高運算速單條指令同時并行地處理多個數(shù)據(jù)元素，提高運算速度。例如，一條指令可以完成圖形度。例如，一條指令可以完成圖形/圖像中圖像中8個象素個象素(每每象素象素8位位)的并行操作。的并行操作。(3) 飽和飽和(Situration)運算運算 環(huán)繞運算或稱非飽和運算，上溢或下溢的結(jié)果被截取環(huán)繞運算或稱非飽和運算，上溢或下溢的結(jié)果被截取，返回低有效位值，返回低有效位值，F(xiàn)3H+1DH=10H。 飽和運算：上溢與下溢結(jié)果被截取至各類數(shù)據(jù)值域的飽和運算：上溢與下溢結(jié)果被截取至各類數(shù)據(jù)值域的最大值或最小值。如，最大值或最小值。如

48、，F(xiàn)3H+1DH=FFH 。 表表5.3 MMX飽和運算范圍飽和運算范圍 a亮值為亮值為F3H，b點亮度值為點亮度值為1DH，采用非飽和運算模，采用非飽和運算模式，其線性插值的結(jié)果為式，其線性插值的結(jié)果為10H/2=08H。該結(jié)果的亮度。該結(jié)果的亮度值比值比b點還低。點還低。 引入飽和運算后，引入飽和運算后，a與與b占亮度插值應(yīng)為：占亮度插值應(yīng)為： FHFFHDHHF72213(4) 兼容性兼容性 MMX技術(shù)與現(xiàn)有的技術(shù)與現(xiàn)有的IA(Intel Architecture)處理器和處理器和OS保持向下兼容，保持向下兼容，IA MMX狀態(tài)建立在狀態(tài)建立在IA浮點狀態(tài)之上浮點狀態(tài)之上，無需增加新的狀

49、態(tài)。，無需增加新的狀態(tài)。 2. MMX指令系統(tǒng)指令系統(tǒng) 早期早期MMX結(jié)構(gòu)中引入了結(jié)構(gòu)中引入了57條新的指令，條新的指令，P4 MMX指指令增為令增為144條，條，SIMD得到了強化，得到了強化，MMX寄存器也擴寄存器也擴充為充為128位。位。 57條指令分成條指令分成7大類：算術(shù)運算指令、邏輯運算指令大類：算術(shù)運算指令、邏輯運算指令、比較指令、轉(zhuǎn)換指令、移位指令、數(shù)據(jù)傳送指令、比較指令、轉(zhuǎn)換指令、移位指令、數(shù)據(jù)傳送指令、置空置空MMX狀態(tài)指令。狀態(tài)指令。(1) 指令句法指令句法數(shù)據(jù)類型：緊縮字節(jié)、緊縮字、緊縮雙字、數(shù)據(jù)類型：緊縮字節(jié)、緊縮字、緊縮雙字、64位字；位字；有符號數(shù)與無符號數(shù)；環(huán)繞和飽和運算。有符號數(shù)與無符號數(shù)；環(huán)繞和飽和運算。一個時鐘周期內(nèi)可處理完一個時鐘周期內(nèi)可處理完16字節(jié)的數(shù)據(jù)。字節(jié)的數(shù)據(jù)。句法：句法： 詞頭：詞頭：P(Packed)表示緊縮型指令表示緊縮型指令 指令：指令