計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成電子教案第6章

1、東南大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院計(jì)算機(jī)系統(tǒng)組成主講教師：徐造林第6章指令系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)指令 指令：就是要計(jì)算機(jī)執(zhí)行某種操作指令和宏指令之分。令；有微指令、 計(jì)算機(jī)能執(zhí)行的指令全體稱為該機(jī)的指令系統(tǒng) 指令系統(tǒng)是軟件編程的出發(fā)點(diǎn)和硬件設(shè)計(jì)的依據(jù)，它衡量程度。硬件的功能，反映硬件對(duì)軟件支持的6.1指令系統(tǒng)概述6.1.1 指令系統(tǒng)簡(jiǎn)介1. 指令系統(tǒng)主要是為計(jì)算機(jī)應(yīng)用、編譯程序和操作系統(tǒng)提供支持。 指令系統(tǒng)中指令的設(shè)計(jì)，需要從性能提高和帶來(lái)的成本增加兩個(gè)方面考慮。 兩種類型的指令（1）非指令：這類指令主要供用戶使用，又可分為功能性指令和非功能性指令兩種。（2）指令：主要供系統(tǒng)程序員使用，一般不允許用戶使用。其中包括I/

2、O指令、停機(jī)等待指令、管理及保護(hù)指令、系統(tǒng)狀態(tài)指令、診斷指令等。2. 完備性：指令系統(tǒng)應(yīng)功能齊全，給用戶帶來(lái)方便。 規(guī)整性：指令系統(tǒng)的正交性、均勻性、對(duì)稱性。 兼容性：不同機(jī)種之間具有相同的基本結(jié)構(gòu)和共同的基本指令集，目的是給軟件帶來(lái)方便。的重復(fù)利用 可擴(kuò)充性：指令系統(tǒng)中要保留一定的指令字空間，以便在需要時(shí)進(jìn)行指令系統(tǒng)的功能擴(kuò)充。6.1.2指令的格式 指令一般的格式如下：1. 操作碼 操作碼指出指令應(yīng)該執(zhí)行什么性質(zhì)的操作和具有何種功能；n位操作碼字段的指令系統(tǒng)最多能夠表示2n條指令。2. 地址碼 地址碼指出指令中操作數(shù)所在的或寄存器地址。器地址操作碼OP地址碼 A 按指令包含的地址的個(gè)數(shù)可分：

3、1執(zhí)行（A1）OP（A2）2A3執(zhí)行（A1）OP（A2）A2OPA1A2OPA1A2A33執(zhí)行（A1）OP （AC）4AC 有兩種可能：一是無(wú)需任何操作數(shù)，如空操作指令、停機(jī)指令等。二是所需的操作數(shù)地址是默認(rèn)的。OPOPA1 指令字長(zhǎng)度 計(jì)算機(jī)中CPU能直接處理的二進(jìn)制的位數(shù)稱為字長(zhǎng)； 指令字長(zhǎng)度：一個(gè)指令字包含的所有二進(jìn)制代碼的位數(shù)。有等長(zhǎng)指令字結(jié)構(gòu)和變長(zhǎng)指令字結(jié)構(gòu)。 指令字長(zhǎng)度選取原則1. 2. 指令短，可減少所需量和加快運(yùn)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。 指令助記符表6.1 常用指令助記符指令類型指令助記符二進(jìn)制操作碼加法ADD001減法SUB010傳送MOV0

4、11跳轉(zhuǎn)JMP100ST101讀數(shù)LD1106.1.3指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)概論1. 任務(wù)是確定所有以及對(duì)操作數(shù)的指令的格式、類型、操作方式。出發(fā)點(diǎn)是提高指令系統(tǒng)的性能/價(jià)格比。 基本設(shè)計(jì)思想：（1）確定計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的基本操作（包括操作系 統(tǒng)和高級(jí)語(yǔ)言的）是由硬件實(shí)現(xiàn)還是由軟件實(shí)現(xiàn)；（2）按照盡量縮短平均碼長(zhǎng)、方便譯碼與執(zhí)行的原則，設(shè)計(jì)指令字格式。 功能設(shè)計(jì)和指令格式設(shè)計(jì) 基本功能設(shè)計(jì)：確定指令系統(tǒng)包含哪些基本操作； 優(yōu)化功能設(shè)計(jì)：從對(duì)目標(biāo)程序、操作系統(tǒng)、高級(jí)語(yǔ)言的支持角度，確定哪些常用的、相對(duì)復(fù)雜的操作（指令串）可作為指令系統(tǒng)包含的操作（指令）； 指令格式設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)出平均碼長(zhǎng)較短、便于譯碼和執(zhí)行的指令

5、字； 規(guī)整和優(yōu)化設(shè)計(jì)：形成長(zhǎng)度規(guī)整的、信息冗余較小的指令字。2. 指令所占空間是否盡可能小；表現(xiàn)在指令中代碼密度是否高、信息冗余量是否少； 指令代碼對(duì)應(yīng)用需求的效率是否高，表現(xiàn)在非指令的能性指令所占比例是否高、指令中操作數(shù)范圍滿足應(yīng)用需求的概率是否大、對(duì)操作系統(tǒng)和編譯程序的支持程度是否高； 指令的譯碼速度、執(zhí)行速度是否快。6. 2操作數(shù)類型及方式6.2.1 操作數(shù)類型 操作數(shù)的4種類型 數(shù)值型數(shù)據(jù)；字符；地址；邏輯數(shù)據(jù)。 操作數(shù)類型在指令中的表示 指令中增加一些二進(jìn)制位標(biāo)識(shí)；可選擇識(shí)或處理時(shí)標(biāo)識(shí)。時(shí)標(biāo) 標(biāo)識(shí)方法(a) 每個(gè)操作數(shù)標(biāo)識(shí)(b) 所有操作數(shù)共一個(gè)標(biāo)識(shí)圖6.1二地址指令數(shù)據(jù)類型表示方法

6、 通常將操作碼與數(shù)據(jù)類型標(biāo)識(shí)合并成新的操作碼。OPDFA1A2OPDF1A1DF2A26.2.2操作數(shù)方式在指令、寄存器、堆棧和 操作數(shù)可以器中；方式有大端（Big-Endian）和小 數(shù)據(jù)端（Little-Endian）兩種。圖6.2數(shù)據(jù)在采用小端器中的兩種存放方式方式的處理機(jī)有Intel 數(shù)據(jù)80x86/Pentium，DEC VAX，DEC Alpha等。6.2.3數(shù)據(jù)對(duì)齊方式 操作數(shù)應(yīng)在器空間陣列的同一行；圖6.3 信息按整數(shù)邊界數(shù)據(jù)的邊界對(duì)齊原則：數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為2n個(gè)字節(jié)，地址的最低n位應(yīng)為0。則該數(shù)據(jù)在器中最小6.2.4堆棧存取方式 堆棧是一種按特定順序的區(qū)；其特點(diǎn)是后進(jìn)先出(LIFO

7、)或先進(jìn)后出(FILO)。 堆棧存取方式 堆棧最底部存放數(shù)據(jù)的位置是固定不變的，該位置稱為棧底； 堆棧中存放的最上面數(shù)據(jù)的位置是不停變化的，該位置稱為棧頂； 存取數(shù)據(jù)只能在棧頂進(jìn)行，不可中間中間將數(shù)據(jù)取出?；蛘邚?堆棧操作只有入棧（push）和出棧（pop）兩種。 堆棧和其它形式的部件之間的差別：（1）堆棧在數(shù)據(jù)存取時(shí)不需要地址，而其它部件在數(shù)據(jù)存取時(shí)需要地址；（2）堆棧只能按先進(jìn)后出或后進(jìn)先出方式存取數(shù)據(jù)，而其它部件可以根據(jù)地址隨機(jī)存取數(shù)據(jù)；（3）堆棧不可以在同一位置連續(xù)寫入或取出數(shù)據(jù)，而其它部件可以。 堆棧的實(shí)現(xiàn)方法棧頂棧底空棧：1. 存入a:棧頂棧底存入b:棧頂棧底取出b:棧底棧頂圖圖5

8、6.140棧頂固定方式堆棧及其存取aaba2. 選取固定的器單元為堆棧區(qū)，器堆棧的具置由程序員指定，空間大小由程序員分配； 建棧時(shí)設(shè)置堆棧指針SP，指示棧頂位置。1）自底向上生成堆棧（滿遞減和空遞減）： 建棧時(shí)堆棧指針SP指向棧底下面一個(gè)單元（棧底是堆棧中地址最大的單元）； 入棧操作（PUSH）步驟：i）SP-1SPii）存入數(shù)據(jù)（SP） 出棧操作（POP）步驟：i）（SP）內(nèi)容讀出ii）SP+1SP圖6.5自底向上堆棧操作示例2）自頂向下生成堆棧（滿遞增和空遞增） ： 堆棧建棧時(shí)堆棧指針SP指向棧底上面一個(gè)單元（棧 底是堆棧中地址最小的單元）， 入棧操作（PUSH）步驟：i)SP+1SPii

9、) 存入數(shù)據(jù)（SP）i)（SP）內(nèi)容讀出 出棧操作（POP）步驟：ii)SP-1SP 兩者指針變化方向不同。 堆棧存取方式在指令中的應(yīng)用 堆棧操作對(duì)臨時(shí)保存和恢復(fù)某些數(shù)據(jù)極為簡(jiǎn)便。堆棧存取方式對(duì)應(yīng)的操作有建棧、入棧和出棧三種，可對(duì)應(yīng)指令系統(tǒng)中的三條指令。例2器堆棧，棧底地址 Bottom=3000H，棧某中已壓入兩個(gè)數(shù)據(jù)a和b，SP為堆棧指針。（1）畫出此時(shí)堆棧示意圖。（2）現(xiàn)將數(shù)據(jù)c，d 和e 按順序壓入堆棧，且用累，寫出數(shù)據(jù)入棧步驟，畫加器AC 進(jìn)行出數(shù)據(jù)入棧后的堆棧情況。（3）寫出數(shù)據(jù)e 出棧的操作步驟。解：（1）堆棧情況如下圖所示 2FFFH（2）數(shù)據(jù)入棧操作ACAC ACc；SPd；

10、SP e；SPSP-1；(SP)SP-1；(SP)SP-1；(SP)ACAC AC（3）數(shù)據(jù)e 的出棧操作AC SP(SP) SP+16.3指令系統(tǒng)功能設(shè)計(jì) 指令集中包含的所有操作功能的集合稱為指令系統(tǒng)的功能集 操作碼是指令系統(tǒng)功能集中各種功能（操作）的編碼。6.3.1功能類型分類1. 傳送（MOV）指令：實(shí)現(xiàn)寄存器與寄存器間、常數(shù)操作數(shù)與寄存器間的數(shù)據(jù)傳送； 取數(shù)（LOAD或LD）指令：實(shí)現(xiàn)器的數(shù)據(jù)傳送；器到寄存存數(shù)（STORE或ST）指令：實(shí)現(xiàn)常數(shù)操作數(shù)或寄存器到器的數(shù)據(jù)傳送；（XCHG）指令：實(shí)現(xiàn)兩個(gè)數(shù)據(jù)之間的交換，可以看成是雙向傳送；入棧（PUSH）指令：實(shí)現(xiàn)寄存器或器到堆棧的數(shù)據(jù)傳送

11、； 出棧（POP）指令：實(shí)現(xiàn)堆棧到寄存器或器的數(shù)據(jù)傳送。2. 指令主要包括加（ A D D ） 、 減（ S U B ） 、乘（MUL）、除（DIV）指令，求反（NOT）、求補(bǔ)（NEG）指令，算術(shù)移位（SLA、SRA）、 算術(shù)比較（COMP）指令等。 為區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)類型和運(yùn)算規(guī)則， 形成擴(kuò)展運(yùn)算， 如十進(jìn)制運(yùn)算、帶進(jìn)位運(yùn)算、雙精度運(yùn)算等指令。3. 指令主要包括邏輯與（AND）、邏輯或（OR）、邏輯異或（ XOR）、邏輯非（ NOT）、邏輯移位（ SLL 、SRL ） 、循環(huán)移位（ ROL 、ROR 、ROLC、RORC）指令。4. 指令主要包括無(wú)條件轉(zhuǎn)移（ JMP ） 、 條件轉(zhuǎn)移（Jcc）、跳步

12、（SKIP）、轉(zhuǎn)子（CALL）、返主（RET）、循環(huán)（LOOP）指令等。 當(dāng)前指令地址碼給出直接地址或相對(duì)于當(dāng)前指令位置的偏移地址，5. 實(shí)現(xiàn)CPU與外部設(shè)備間的令及取得設(shè)備狀態(tài)等功能。 這類指令有輸入（IN）和輸出（OUT）兩種指令。、傳送命6. 指令包含字符串轉(zhuǎn)換、字符串傳送、字符串比較、字符串查找、字符串抽取、字符串替換等指令。7. 能夠改變系統(tǒng)的工作狀態(tài)、實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)所需要的特殊功能。大多數(shù)為指令。 包括停機(jī)（ HA LT ） 、開中斷（ STI ） 、關(guān)中斷（CLI）、自陷（Trap，即軟中斷INTn）、系統(tǒng)管理、管理等指令。8. 特 定 功 能 的指 令 ； 包 含 狀 態(tài) 寄 存

13、 器 置位（ S T C 、 C L D 等） 、 暫停（ WA I T ） 、 測(cè)試 （ T E S T ） 、 空 操 作 （ N O P ） 、 中 斷 返回（IRET）等指令。6.3.2 指令系統(tǒng)功能集設(shè)計(jì) 指令系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)軟、硬件主要交界面，直接反 映了計(jì)算機(jī)的性能/價(jià)格。 復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)CISC(Complex Instruction Set Computer)的提出。 計(jì)算機(jī)的硬件成本不斷下降，軟件成本不斷上升； 強(qiáng)化指令功能，實(shí)現(xiàn)軟件功能向硬件功能轉(zhuǎn)移； 指令系統(tǒng)增加了越來(lái)越多功能強(qiáng)大的復(fù)雜命令，以便使指令的功能接近高級(jí)語(yǔ)言語(yǔ)句的功能。 指令系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜的出發(fā)點(diǎn)：使目標(biāo)程序

14、得到優(yōu)化：把原來(lái)要用一段程序才能完成的功能，只用一條指令來(lái)實(shí)現(xiàn)； 給高級(jí)語(yǔ)言提供更好的支持：改進(jìn)指令系統(tǒng)，設(shè)置一些在語(yǔ)義上接近高級(jí)語(yǔ)言語(yǔ)句的指令，就可以減輕編譯的負(fù)擔(dān)，提高編譯效率； 提供對(duì)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，要求指令系統(tǒng)提供越來(lái)越復(fù)雜的功能。 復(fù)雜的指令系統(tǒng)帶來(lái)的問題 計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)也越來(lái)越復(fù)雜，不僅增加了計(jì)算機(jī)的研制周期和成本，而且難以保證其正確性，有時(shí)還 可能降低系統(tǒng)的性能； 龐大的指令系統(tǒng)中，只有算術(shù)邏輯運(yùn)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，在程序中出現(xiàn)的概率占到80%以上； 需要大量硬件支持的復(fù)雜指令的利用率卻很低，造成了硬件的大

15、量浪費(fèi)。 精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)RISC（ReducedInstructionSetComputer）的提出。 各種高級(jí)語(yǔ)言的語(yǔ)義之間有很大差別；不可能設(shè)計(jì)出一種能對(duì)所有高級(jí)語(yǔ)言都能提供很好支持的指令系統(tǒng)。 指令系統(tǒng)越復(fù)雜，包含的指令越多，編譯時(shí)生成目標(biāo)程序的方法也越多，對(duì)最終優(yōu)化編譯造成。 精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)特點(diǎn) 通過簡(jiǎn)化指令使計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單合理，從而提高的性能。 指令數(shù)目較少，一般都選用使用頻度最高的一些簡(jiǎn)單指令； 指令長(zhǎng)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(gè)周期內(nèi)完成； 通用寄存器數(shù)量多，只有存數(shù)/取數(shù)指令，而其余指令均在寄存器之間進(jìn)行操作。器 采用RISC技術(shù) 指

16、令系統(tǒng)可以采用速度較快的硬連線邏輯來(lái)實(shí)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(jìn)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 系統(tǒng)中的指令都是精選的，編譯時(shí)間少，反過來(lái)對(duì) 編譯程序的優(yōu)化又是有利的； 結(jié)構(gòu)更適合VLSI、并行處理，更能夠提高計(jì)算機(jī)的性能； CISC和RISC技術(shù)都在發(fā)展，兩者都各有點(diǎn)和缺點(diǎn)。的優(yōu) CISC與RISC之爭(zhēng)論 70年代中期，IBM公司、斯坦福大學(xué)、加州大學(xué)伯 克利分校等機(jī)構(gòu)分別先后開始對(duì)CISC技術(shù)進(jìn)行研究，其成果分別用于IBM、SUN、MIPS等公司的產(chǎn) 八十年代中期，RISC技術(shù)蓬勃發(fā)展，先后出現(xiàn)了PowerPC、MIPSR4400、MC

17、88000、Super Spare品中；、Intel0860等高性能RISC以及相應(yīng)的計(jì)算機(jī)； RISC也隨著速度、系統(tǒng)日趨復(fù)雜；密度的不斷提高，使RISC CISC機(jī)采用了部分RISC先進(jìn)技術(shù)(強(qiáng)調(diào)指令流水線、分級(jí)Cache 和多設(shè)通用寄存器)，其性能更加提高。6. 4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。 操作數(shù)的尋址方式主要解決的是操作數(shù)存放在指令、寄存器和器中的尋址問題。 確定指令系統(tǒng)的尋址方式時(shí)，須考慮以下幾點(diǎn)： 希望指令內(nèi)所含地址盡可能短； 希望能盡可能大的空間； 尋址方法盡可能簡(jiǎn)單； 在不改變指令的情況下，僅改變地址的實(shí)際值，從而能方便地?cái)?shù)組、串、表格等較復(fù)雜數(shù)據(jù)

18、。 設(shè)指令格式：OP尋址特征MOD形式地址D6.4.1 常用的尋址方式1. 操作數(shù)在指令中；Data=A。指令(a) 8位立即數(shù)(b) 16位立即數(shù) 圖圖56.61按字節(jié)編址中的立即尋址指令器地址器內(nèi)容n操作碼n+1立即數(shù)低8位n+2立即數(shù)高8位n+3下條指令器地址器內(nèi)容n操作碼n+18位立即數(shù)n+2下條指令OPF1A2. 指令直接給出操作數(shù)（有效）地址；即EA=A。指令器圖6.7直接尋址操作數(shù)OPF2A3. 操作數(shù)地址在內(nèi)存中；即EA =（A）。指令器圖6.8間接尋址A(EA)操作數(shù)OPF3A4. 指令寄存器 指令地址碼字段給出存放操作數(shù)的寄存器編號(hào)；即data=（R）。圖6.9寄存器尋址

19、寄存器尋址有以下優(yōu)點(diǎn)： CPU寄存器數(shù)量遠(yuǎn)小于內(nèi)存單元，所以寄存器號(hào)比內(nèi)存地址短，因而寄存器尋址方式指令短；不用訪存，指令執(zhí)行速度快。操作數(shù)OPF4R5 操作數(shù)地址在指令指定的CPU某個(gè)寄存器中；EA=（R）；如8086指令MOV AL，BSI指令寄存器器圖6.10寄存器間接尋址操作數(shù)A(EA)OPF5R6 操作數(shù)地址為程序計(jì)數(shù)器PC中的內(nèi)容與位移量A之和，即EA=（PC）+ A。圖6.11相對(duì)尋址 7 把由指令中給出的地址（位移量）與CPU 中的某個(gè)基址寄存器相加而得到實(shí)際的操作數(shù)地址。EA=(R)基址+A圖6.12基址尋址 8 操作數(shù)地址為變址寄存器中的內(nèi)容與位移量之和；即EA=（R）變址

20、+A。EA+8086指令MOV AL，S形式地址0H圖圖6.51.34 變址尋址選擇數(shù)組數(shù)據(jù) 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(gè)主存范圍的尋址能力；在多道程序運(yùn)行環(huán)境下，實(shí)現(xiàn)程序的再定位。OOP P寄F存8器號(hào)R形式A地址data ndata 2data 1SI9 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)。10 有的計(jì)算機(jī)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。 在使用時(shí)，不僅要了解該機(jī)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。例. 某計(jì)算機(jī)有變址尋址、間

21、接尋址和相對(duì)尋址等尋址方式，設(shè)當(dāng)前指令的地址碼部分為001AH，正在執(zhí)行的指令所在的地址為1F05H，變址寄存器中的內(nèi)容為23A0H。請(qǐng)?zhí)畛洌海?） 當(dāng)執(zhí)行取數(shù)指令時(shí)，如為變址尋址 方式，則取出的數(shù)（2） 為如為間接尋址。方式，則取出的數(shù)（3）為當(dāng)執(zhí)行轉(zhuǎn)移指。令時(shí)，轉(zhuǎn)移地址為。地址內(nèi)容001AH23A0H1F05H241AHIFIFH2500H23A0H2600H23BAH1748H 已知器的部分地址及相應(yīng)內(nèi)容：解：（1）變址尋址 當(dāng)前指令的地址碼為001AH，變址寄存器中的內(nèi)容為23A0H； 操作數(shù)地址為：（23A0H + 001AH）=23BAH； 則取出的數(shù)為1748H。（2） 間接尋址

22、：地址碼為操作數(shù)地址； 則取出的數(shù)為2600H 。（3） 正在執(zhí)行的指令所在的地址為1F05H； 當(dāng)執(zhí)行轉(zhuǎn)移指令時(shí)，轉(zhuǎn)移地址為：（IF05H+2+001AH）=1F21H。地址內(nèi)容001AH23A0H1F05H241AHIFIFH2500H23A0H2600H23BAH1748H例. 某計(jì)算機(jī)指令格式如下：151098 70圖中X為尋址特征位，且X=0時(shí)不變址；X=1時(shí)用變址寄存器X1進(jìn)行變址；X=2時(shí)用變址寄存器X2進(jìn)行變址；X=3時(shí) 相對(duì)尋址。設(shè)（PC）=1234H，（X1）=0037H，（X2）=1122H，請(qǐng)確定下列指令的有效地址。（1）4420H（2）1122H（3）1322H（4）

23、3521H（5）6723HHOPXD6.4.2 尋址方式設(shè)計(jì) 尋址方式設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容： 指令系統(tǒng)的尋址方式集，是指令系統(tǒng)支持的尋址方式的集合； 指令系統(tǒng)中每條指令的尋址方式子集，即每條指令支持的尋址方式的集合； 尋址方式集中每種尋址方式的性能參數(shù)。1. 指令系統(tǒng)尋址方式集分為常用的和必須的兩種類型。（1）尋址方式集的常用尋址方式設(shè)計(jì) 根據(jù)指令系統(tǒng)風(fēng)格（CISC和RISC）和各種尋址方式的使用頻率，選擇使用頻率較高的尋址方式作為指令系統(tǒng)尋址方式集的常用尋址方式。 頻帶分析法： 對(duì)大量應(yīng)用程序中指令的尋址方式進(jìn)行分析，特別是對(duì)復(fù)雜數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)尋址方式的分解，將所有的尋址方式進(jìn)行分類； 對(duì)分解后的各種尋

24、址方式進(jìn)行頻率統(tǒng)計(jì)，包括每種尋址方式中性能參數(shù)（如立即數(shù)、偏移量范圍等）頻率分布的統(tǒng)計(jì)； 根據(jù)指令系統(tǒng)的風(fēng)格及計(jì)算機(jī)的性能要求，將使用頻率較高的尋址方式作為指令系統(tǒng)尋址方式集的常用尋址方式。（2）尋址方式集的必須尋址方式設(shè)計(jì) 解決常用尋址方式設(shè)計(jì)中對(duì)寄存器、的遺漏問題。器尋址 選擇使用頻率最高的對(duì)寄存器或器尋址（常用尋址方式中所缺的）的一種尋址方式作為必須尋址方式中的尋址方式。2. 每條指令的尋址方式子集是那些該指令常用的尋址方式，而不是全部尋址方式； 設(shè)計(jì)目標(biāo)是為指令系統(tǒng)中每條指令確定它所支持的尋址方式。 指令尋址方式子集與指令系統(tǒng)尋址方式集的設(shè)計(jì)區(qū)別（1）尋址方式子集設(shè)計(jì)不存在必須的尋址方

25、式問題，（2）指令系統(tǒng)尋址方式集的設(shè)計(jì)是行的， 而指令尋址方式子集設(shè)計(jì)是體的指令進(jìn)行的。所有指令進(jìn)某條具3. 性能參數(shù)是指該尋址方式滿足應(yīng)用需求所需要的操作數(shù)或操作數(shù)地址碼位數(shù)。 寄存器號(hào)編碼長(zhǎng)度設(shè)計(jì) 寄存器號(hào)編碼長(zhǎng)度為log2N位，其中N為指令系統(tǒng)可用寄存器個(gè)數(shù)。 尋址方式中指定的寄存器，尋址方式對(duì)應(yīng)地址碼中應(yīng)省略該寄存器號(hào)編碼。器地址編碼長(zhǎng)度設(shè)計(jì)器地址編碼長(zhǎng)度為log2M位，其中M為指令系統(tǒng)可用器空間。器地址用相對(duì)于某地址的形式地址表 指令中示時(shí)，形式地址編碼長(zhǎng)度不受器地址長(zhǎng)度限制。 尋址方式中立即數(shù)長(zhǎng)度設(shè)計(jì) 根據(jù)應(yīng)用需求對(duì)尋址方式中立即數(shù)值域的要求，確定立即數(shù)值范圍及位數(shù)范圍； 采用頻帶

26、分析法，在頻率分布中確定對(duì)應(yīng)的立即數(shù)長(zhǎng)度（值域）范圍。6.5指令字格式設(shè)計(jì) 指令格式設(shè)計(jì)所要解決的問題：（1）指令系統(tǒng)由哪些指令？（2）每條指令中操作碼表示什么？為什么這樣編碼？（3） 當(dāng)一條指令的操作數(shù)有多種表示形式時(shí)，如何區(qū)分不同的尋址方式？（4） 指令字格式如何確定？如何提高指令格式的性能/價(jià)格比？6.5.1指令系統(tǒng)指令數(shù)目設(shè)計(jì) 指令系統(tǒng)中的指令必須能夠?qū)崿F(xiàn)指令系統(tǒng)功能集中支持的所有操作； 指令系統(tǒng)功能集中包含多少個(gè)操作，指令集中就必須對(duì)應(yīng)多少條指令； 指令系統(tǒng)中指令數(shù)為功能集中操作的數(shù)量加上同一操作對(duì)應(yīng)多種數(shù)據(jù)類型所增加出來(lái)的指令的數(shù)量。6.5.2指令字操作碼編碼設(shè)計(jì) 計(jì)算機(jī)硬件識(shí)別和

27、執(zhí)行指令系統(tǒng)的指令是通過二進(jìn)制編碼實(shí)現(xiàn)的； 不同操作碼對(duì)應(yīng)不同的操作和對(duì)不同數(shù)據(jù)類型的相同操作。1. 定長(zhǎng)操作碼編碼中所有操作碼的長(zhǎng)度固定； 如果指令系統(tǒng)功能集共支持N種操作，應(yīng)滿足關(guān)系式：2n-1N2n。所有操作碼的平均碼長(zhǎng)為n位； 定長(zhǎng)操作碼主要用于具有CISC風(fēng)格指令系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)和指令字長(zhǎng)較長(zhǎng)的計(jì)算機(jī)。2. 變長(zhǎng)操作碼編碼中使用頻率較高的操作碼長(zhǎng)度較短，使用頻率較低的操作碼長(zhǎng)度較長(zhǎng)；Nlavg= Pi li 變長(zhǎng)操作碼的平均碼長(zhǎng)為i=1 定長(zhǎng)操作碼平均碼長(zhǎng)為：log2N 。6.5.3指令字尋址方式表示設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)的目標(biāo)是確定操作數(shù)地址的尋址方式用什么方法表示及如何表示。1. 1） 將尋址方

28、式標(biāo)志編碼于操作碼中；2） 在地址碼字段為每個(gè)操作數(shù)設(shè)置一個(gè)地址描述符，由該地址描述符表示該操作數(shù)的尋址方式。(a) 在操作碼中表示尋址方式(b) 在地址碼中表示尋址方式圖6.14尋址方式的兩種表示形式OPF1A1FnAnOPFA1An2. 尋址方式在地址碼中表示 這種尋址方式的應(yīng)用范圍較均勻； 該尋址方式編碼必須能夠?qū)θ魏沃噶钸m用，一般采用等長(zhǎng)二進(jìn)制編碼方式。 尋址方式在操作碼中表示 這種尋址方式的應(yīng)用范圍不均勻，某種類型的指令只支持12種尋址方式； 該尋址方式就不必進(jìn)行統(tǒng)一編碼，只要對(duì)具體指令類型進(jìn)行編碼即可。6.5.4指令字格式設(shè)計(jì) 設(shè)計(jì)任務(wù)是確定指令系統(tǒng)中各指令的具體組成格式，同時(shí)使指

29、令字格式具有較好的性能/價(jià)格比。 指令字格式設(shè)計(jì)的四個(gè)條件：1） 操作碼編碼設(shè)計(jì)產(chǎn)生的各指令的操作碼；2） 功能集設(shè)計(jì)產(chǎn)生的每條指令的操作數(shù)個(gè)數(shù)；3） 尋址方式表示設(shè)計(jì)產(chǎn)生的尋址方式表示方法及編碼；4） 尋址方式設(shè)計(jì)產(chǎn)生的各尋址方式性能參數(shù)。1. 變長(zhǎng)編碼格式 該編碼格式的指令字有多種長(zhǎng)度； 可以有效地減少指令系統(tǒng)中指令字的平均長(zhǎng)度，降低目標(biāo)代碼的長(zhǎng)度； 但會(huì)使各指令字長(zhǎng)短不一，增加了譯碼器的實(shí)現(xiàn)難度和譯碼時(shí)間； 各指令執(zhí)行時(shí)間懸殊較大，不利于流水和并行處理技術(shù)的應(yīng)用。 定長(zhǎng)編碼格式 指令字長(zhǎng)度均相同； 當(dāng)指令數(shù)量和尋址方式較少時(shí)，可以有效地減少指令譯碼的復(fù)雜性和提高譯碼速度； 指令尋址方式少

30、，執(zhí)行速度較快，很適合流水和并行處理技術(shù)的應(yīng)用； 但會(huì)使各指令字空間的利用率不夠高，增加了目標(biāo)代碼的長(zhǎng)度； 指令操作碼采用變長(zhǎng)編碼格式，尋址方式在操作碼中表示；指令系統(tǒng)指令數(shù)量和尋址方式種類較少，多用于RISC計(jì)算機(jī)。 混合編碼格式 指令字長(zhǎng)度只有有限的幾種； 通過提供幾種指令字長(zhǎng)度，期望兼顧目標(biāo)代碼長(zhǎng)度和降低譯碼復(fù)雜性這兩個(gè)目標(biāo)； 對(duì)流水和并行處理技術(shù)的應(yīng)用方便性一般； 指令操作碼和尋址方式表示與變長(zhǎng)編碼方式基本一致，指令數(shù)量和尋址方式種類適中。 IBM 360/370和Intel 80x86均采用這種編碼方式。2. 優(yōu)化設(shè)計(jì)：在不增加指令字長(zhǎng)的前提下，盡可能使指令功能增強(qiáng)， 冗余空間最少提

31、高代碼密度。（1）對(duì)操作碼進(jìn)行優(yōu)化 對(duì)操作碼的優(yōu)化：當(dāng)操作碼采用變長(zhǎng)編碼方式時(shí)，為提高操作碼的規(guī)整性，減少譯碼器譯碼和實(shí)現(xiàn)難度而進(jìn)行的優(yōu)化； 對(duì)定長(zhǎng)操作碼： 可將相同類型的操作碼集中在一起，減少譯碼成本和提高譯碼速度，或利用指令空閑位作為操作碼擴(kuò)展。（2）對(duì)地址碼進(jìn)行優(yōu)化 指令字中地址碼字段性能直接影響整個(gè)指令字的功能和性能； 優(yōu)化思想：對(duì)高頻率的指令，盡量縮短其指令長(zhǎng)度 以提高性能； 對(duì)低頻率的指令， 主要考慮擴(kuò)展指令功能以提高性能/價(jià)格比。 指令字地址碼優(yōu)化設(shè)計(jì)的兩點(diǎn)原則：1） 當(dāng)?shù)刂反a字段長(zhǎng)度富裕時(shí)，可增加尋址方式或地址字，以增加指令的功能；2） 當(dāng)?shù)刂反a字段長(zhǎng)度緊張或不夠時(shí)，可采用特定

32、的尋址方式，提高指令的性能/價(jià)格比；或增加指令字長(zhǎng)，擴(kuò)展指令的功能。例：已知微機(jī)中有AX、BX、CX、DX、BP、SP、SI、DI八個(gè)寄存器，BX、BP為基址寄存器，SI、DI為變址寄存器。雙操作數(shù)指令有12條， 單操作數(shù)指令有46條，無(wú)操作數(shù)指令有6條。規(guī)定雙操作數(shù)指令必須有一個(gè)操作數(shù)來(lái)自寄存器。 請(qǐng)?jiān)O(shè)計(jì)該指令系統(tǒng)。1）尋址方式設(shè)計(jì)雙操作數(shù)須有寄存器S/D=0，Ry為源操作數(shù)2）雙操作數(shù)指令12條01語(yǔ)言規(guī)整、簡(jiǎn)單3）單操作數(shù)指令46條1101相對(duì)尋址為轉(zhuǎn)移指令4）無(wú)操作數(shù)指令6條6. 6指令系統(tǒng)舉例6.6.1 IBM 370系列機(jī)指令格式 RRE、S、SSE型指令的操作碼為16位，其余指令

33、的操作碼均為8位。 操作碼的第0位和第1位組合： 00RR型指令，01RX型指令，10RRE型、R S型、S型及SI型指令，11SS型和SSE型指令。 RR和RRE型指令都是寄存器-寄存器型指令 RX和RS型指令都是寄存器-器型指令，第一個(gè)操作數(shù)和結(jié)果放在R1中，另一個(gè)操作數(shù)在主存中。 采用變址尋址方式，有效地址=（X2）+（B2）+D2，B2為基址寄存器，D2為位移量，x為變址寄存器號(hào)。 RS型是三地址指令：R1存放結(jié)果，R2放一個(gè)源操作數(shù)，另一個(gè)源操作數(shù)在主存中；有效地址=（B2）+D2。 SI型是立即數(shù)指令 S型是單操作數(shù)指令 SS和SSE型指令是可變字長(zhǎng)指令，用于字符串的運(yùn)算和處理，L

34、為串之長(zhǎng)度。 SSE指令與SS指令之差別是段(8-15位)擴(kuò)展成操作碼。SS指令中的L字6.6.2Pentium指令系統(tǒng)1. Pentium指令系統(tǒng)共支持9種尋址方式序號(hào)尋址方式名稱線性地址LA算法說明1立即尋址操作數(shù)在指令中給出2寄存器尋址操作數(shù)為指定寄存器的內(nèi)容3偏移尋址LA=(SR)+A對(duì)應(yīng)直接尋址4基址尋址LA=(SR)+(B)對(duì)應(yīng)寄存器間接尋址5基址+偏移尋址LA=(SR)+(B)+A對(duì)應(yīng)基址尋址6比例變址+偏移尋址LA=(SR)+(I)S+AS為1時(shí)對(duì)應(yīng)變址尋址7基址+變址+偏移尋址LA=(SR)+(B)+(I)+A對(duì)應(yīng)基址+變址尋址8基址+比例變址+偏移尋址LA=(SR)+(B)

35、+(I)S +A9相對(duì)尋址LA=(PC)+APC為程序計(jì)數(shù)器或指令指針2. Pentium采用可變長(zhǎng)指令格式，最短的指令只有一個(gè)字節(jié)，最長(zhǎng)的指令可有十幾個(gè)字節(jié)。 前綴：位于指令操作碼前前綴類型：字節(jié)數(shù)： 前綴不是每條指令必須有的；大部分指令并無(wú)前綴，它們使用默認(rèn)的條件或參數(shù)進(jìn)行操作。，各種前綴也都是可選的。的話指令前綴段前綴操作數(shù)長(zhǎng)度地址長(zhǎng)度0或10或10或10或1 指定功能前綴：實(shí)現(xiàn)指定指令對(duì)器是獨(dú)占或重復(fù)執(zhí)行功能，本指令按此規(guī)則執(zhí)行； 包括4種指令：LOCK、REP、REPE和REPNE。 段前綴字段：實(shí)現(xiàn)指定段寄存器的功能；缺省時(shí)，當(dāng)前指令使用的段寄存器與上一條相同； 操作數(shù)長(zhǎng)度前綴：實(shí)

36、現(xiàn)指定操作數(shù)長(zhǎng)度的功能； 在實(shí)模式下，操作數(shù)長(zhǎng)度默認(rèn)值是16位；在保護(hù)模式下，段描述符D=1時(shí)是32位，當(dāng)D=0時(shí)是16位。 地址長(zhǎng)度前綴字段：實(shí)現(xiàn)指定地址長(zhǎng)度功能；可能是寄存器、指令中的器地址，非形式地址； Pentium的各種指令前綴編碼必須能夠和指令本身的操作碼編碼區(qū)來(lái)。 指令本身，各部分的長(zhǎng)度和含義：指令段字節(jié)數(shù)7654321076543210圖圖56.1154Pentium指令格式SSIndexBaseModReg/OPR/M： 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)7654321076543210 尋址方式字段 ： 由MOD和R/M指定8種

37、寄存器尋址和24種變址尋址方式，reg/OP指定某個(gè)寄存器為操作數(shù)或作為操作碼的擴(kuò)展用?；纷冎穮?shù)（SIB）字段 ： SS指定比例系數(shù)（變址尋址方式時(shí)用）；Index指定變址寄存器；Base指定基 址寄存器。 操作碼字段 ： 指定指令的操作，還指明數(shù)據(jù)圖是5字.1節(jié)4還是P全en字ti長(zhǎng)u；m指指明令R格EG式字段指定的寄存器是源還是目標(biāo) 。SSIndexBaseModReg/OPR/M： 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)偏移量參數(shù)（DISP）字段： 指定與器有關(guān)的尋址方式的操作數(shù)偏移量；非基址尋址方式時(shí)在指令中出現(xiàn)立即數(shù)參數(shù)（IMME）字段：。 主要指定

38、立即尋址方式中的立即操作數(shù)。 Pentium的指令格式比較復(fù)雜1）必須與8086指令系統(tǒng)兼容；2）Pentium要實(shí)現(xiàn)對(duì)地址和數(shù)據(jù)的32位擴(kuò)展，提高尋址方式靈活性。3. Pentium Pentium的邏輯地址包括段和偏移量，段號(hào)經(jīng)過段表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。邏輯地址線性地址段偏移目錄頁(yè)號(hào)位移物理地址.段表頁(yè)目錄表頁(yè)表圖圖65.1.165Pentium物理地址的形成.6.6.3Power PC指令系統(tǒng) Power PC處理器字長(zhǎng)為32位，數(shù)據(jù)字長(zhǎng)為32位； 具有32個(gè)32位通用寄存器，支持32位物理地址空間； 指令系統(tǒng)屬于RISC結(jié)構(gòu)，支持6種尋址方式，指令

39、長(zhǎng)度只有32位一種，指令格式有4種。1. 序號(hào)尋址方式名稱線性地址LA算法應(yīng)用指令類型說明1立即尋址定點(diǎn)指令操作數(shù)在指令中給出2寄存器尋址定點(diǎn)、浮點(diǎn)指令操作數(shù)為指定寄存器的內(nèi)容3絕對(duì)尋址LA=(SR)+A轉(zhuǎn)移指令對(duì)應(yīng)直接尋址4間接尋址LA=(SR)+(B)+A裝入、轉(zhuǎn)移指令對(duì)應(yīng)基址尋址5間接變址尋址LA=(SR)+(B)+(I)裝入指令對(duì)應(yīng)基址變址尋址6相對(duì)尋址LA=(PC)+A轉(zhuǎn)移指令PC為程序計(jì)數(shù)器2. 6位02位5位5位5位5位45位立即數(shù)型寄存器型轉(zhuǎn) 移 型OPER操作碼，RD目標(biāo)寄存器號(hào)，RS源寄存器號(hào)，DISP偏移量或立即數(shù)FUNC功能碼或操作碼擴(kuò)展，R狀態(tài)寄存器條件，F(xiàn)尋址方式或

40、操作碼擴(kuò)展OPTION轉(zhuǎn)移方法，CR轉(zhuǎn)移條件，SHAMT移位量OPERRD/OPTIONRS/CRDISPR/FOPERRD/RSRS/RDRS/SHAMTFUNC/MOVLROPERRDRSRSRSFUNCROPERDISPF6.7MMX技術(shù) MMX是Intel公司為提高PC機(jī)處理多和通信能力而推出的新一代處理器技術(shù)，增加8個(gè)64位寄存器和57條新指令來(lái)實(shí)現(xiàn)。1. MMX多應(yīng)用中的圖形、圖像、音頻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(如8位圖形象素和16位音頻信號(hào))； 頻繁的乘法累加(如FIR濾波，矩陣運(yùn)算)； 短數(shù)據(jù)的高度循環(huán)運(yùn)算(如快速傅里葉變換FFT、離散余弦變換DC

41、T)； 計(jì)算密集型算法(如三維圖形、 高度并行操作(如圖像處理)。壓縮)； MMX技術(shù)與以前的Intel CPU(簡(jiǎn)稱IA-IntelArchitecture)結(jié)構(gòu)相比，增加的功能。(1) 引進(jìn)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(diǎn)緊縮整數(shù)，它定 義了4種新的64位數(shù)據(jù)類型。6356 554839323124 23緊縮字節(jié)473231緊縮字32310緊縮雙字6304字圖圖56.1177 MMX技術(shù)引入的數(shù)據(jù)類型(2) 采用SIMD(Single Instruction Multi Data技術(shù) 單條指令同時(shí)并行地處理多個(gè)數(shù)據(jù)元素，提高運(yùn)算速度。例如，一條指令可以完成圖形/圖像中8 個(gè)象素(每象素8位)的并行操作。(3) 飽和(Situration)運(yùn)算 環(huán)繞運(yùn)算或稱非飽和運(yùn)算，上溢或下溢的結(jié)果被截取，返回低有效位值，F(xiàn)3H+1DH=10H。 飽和運(yùn)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