計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)00002

1、計(jì)算機(jī)組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 陳澤宇 副教授第1章 計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論第2章 運(yùn)算方法和運(yùn)算器第3章 存儲(chǔ)系統(tǒng)第4章 指令系統(tǒng)第5章 中央處理器（CPU）第6章 總線系統(tǒng)第7章 輸入輸出（I/O）系統(tǒng)第8章 并行計(jì)算機(jī)系統(tǒng)4.2 指令格式機(jī)器指令是用機(jī)器字來表示的表示一條指令的機(jī)器字稱為指令字（簡稱指令）指令格式是指令字用二進(jìn)制代碼表示的結(jié)構(gòu)形式一般由兩部分組成操作碼（Operation Code）字段表征指令的操作特性與功能地址碼（Address Code）字段通常用來指定參與操作的操作數(shù)的地址4.2.1 操作碼設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)時(shí)，對(duì)指令系統(tǒng)的每一條指令都要規(guī)定一個(gè)操作碼,它是指明指令操作性質(zhì)的命令碼CPU從

2、主存每次取出一條指令，指令中的操作碼告訴CPU應(yīng)該執(zhí)行什么性質(zhì)的操作例如，可用操作碼“000”表示“加法”操作，操作碼“010”表示“減法”操作等不同的操作碼代表不同的指令組成操作碼字段的位數(shù)一般取決于計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)的規(guī)模所需指令數(shù)越多，組成操作碼字段的位數(shù)也就越多例如，一個(gè)指令系統(tǒng)只有8條指令，則需要3位操作碼；如果有32條指令，則需要5位操作碼一般來說，一個(gè)包含n位操作碼的指令系統(tǒng)最多能夠表示2n條指令4.2.2 地址碼指令系統(tǒng)中的地址碼用來描述指令的操作對(duì)象在地址碼中可以直接給出操作數(shù)本身，也可以給出操作數(shù)在存儲(chǔ)器或寄存器中的地址、操作數(shù)在存儲(chǔ)器中的間接地址等根據(jù)指令功能的不同，一條指令

3、中可以有一個(gè)、兩個(gè)或者多個(gè)操作數(shù)地址，也可以沒有操作數(shù)地址一般情況下要求有兩個(gè)操作數(shù)地址，但若要考慮存放操作結(jié)果，就需要有三個(gè)操作數(shù)地址根據(jù)地址碼的數(shù)量，可以將指令的格式分為：零地址指令、一地址指令、二地址指令、三地址指令和多地址指令1. 零地址指令指令格式中沒有地址碼部分，只有操作碼該類指令分兩種情況：一種是無需操作數(shù)如空操作指令、停機(jī)指令等另一種是操作數(shù)為默認(rèn)的（或稱隱含的）如操作數(shù)在累加器或者堆棧中，它們的操作數(shù)由硬件機(jī)構(gòu)來提供2. 一地址指令常稱為單操作數(shù)指令，該指令中只有一個(gè)地址碼可能是單操作數(shù)運(yùn)算給出的地址既作為操作數(shù)的地址，也作為操作結(jié)果的存儲(chǔ)地址也可能是二元運(yùn)算指令中提供一個(gè)操

4、作數(shù)，另一個(gè)操作數(shù)則是隱含的以累加寄存器AC中的數(shù)據(jù)為被操作數(shù)，地址碼字段所指向的數(shù)為操作數(shù)，操作結(jié)果又放回累加寄存器AC中其數(shù)學(xué)含義為(AC) OP (A) ACOP表示操作性質(zhì)，如加、減、乘、除等(AC)表示累加寄存器AC中的數(shù)(A)表示主存中地址為A的存儲(chǔ)單元中的數(shù)，或者是運(yùn)算器中地址為A的通用寄存器中的數(shù)表示把操作（運(yùn)算）結(jié)果傳送到指定的地方注意：地址碼字段A指明的是操作數(shù)的地址，而不是操作數(shù)本身3. 二地址指令最常見的指令格式，又稱為雙操作數(shù)指令指令中包括兩個(gè)參加運(yùn)算的操作數(shù)的地址碼運(yùn)算結(jié)果保存在其中一個(gè)操作數(shù)的地址碼中，從而使得該地址中原來的數(shù)據(jù)被覆蓋其數(shù)學(xué)含義為（A1）OP（A2

5、） A1A1和A2指明參與操作的兩個(gè)數(shù)在主存或通用寄存器中的地址A1兼做存放操作結(jié)果的地址4. 三地址指令指令中包括兩個(gè)操作數(shù)地址碼和一個(gè)結(jié)果地址碼可使得在操作結(jié)束后，原來的操作數(shù)不被改變其數(shù)學(xué)含義為（A1）OP（A2） A3A1和A2指明兩個(gè)操作數(shù)地址A3為存放操作結(jié)果的地址5. 多地址指令以四地址指令為例四地址指令比三地址指令增加了下一條要執(zhí)行的指令地址優(yōu)點(diǎn)是非常直觀，指令所用的所有參數(shù)都有各自的存放地址，并且有明確的下一條指令地址，程序的流程很明確缺點(diǎn)也顯而易見，這就是指令所占的長度太長按操作數(shù)的物理位置，二地址指令格式可歸為三種類型：1）存儲(chǔ)器-存儲(chǔ)器（Storage-Storage,

6、 SS）型指令指令在操作時(shí)需要多次訪問主存參與讀、寫操作的數(shù)都放在主存里2）寄存器-寄存器（Register-Register, RR）型指令指令在操作時(shí)需多次訪問寄存器從寄存器中取操作數(shù)，把操作結(jié)果放到寄存器中不需訪問主存，機(jī)器執(zhí)行此類型指令的速度很快3）寄存器-存儲(chǔ)器（Register-Storage, RS）型指令指令在操作時(shí)既要訪問主存單元，又要訪問寄存器計(jì)算機(jī)選擇什么樣的指令格式，包括多方面的因素一般情況下，地址碼越少，占用的存儲(chǔ)器空間就越小，運(yùn)行速度也越快，具有時(shí)間和空間上的優(yōu)勢而地址碼越多，指令內(nèi)容就越豐富因此，要通過指令的功能來選擇指令的格式一個(gè)指令系統(tǒng)中所采用的指令地址結(jié)構(gòu)并

7、不是惟一的，往往混合采用多種格式，以增強(qiáng)指令的功能4.2.3 指令字長度一個(gè)指令字中包含二進(jìn)制代碼的位數(shù)，稱為指令字長度計(jì)算機(jī)能直接處理的二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位數(shù)稱為機(jī)器字長決定了計(jì)算機(jī)的運(yùn)算精度機(jī)器字長通常與主存單元的位數(shù)一致指令字長度指令字長度等于機(jī)器字長的指令，稱為單字長指令指令字長度等于半個(gè)機(jī)器字長的指令，稱為半字長指令指令字長度等于兩個(gè)機(jī)器字長的指令，稱為雙字長指令I(lǐng)BM 370系列32位機(jī)的指令格式有半字長的，單字長的，還有一個(gè)半字長的Pentium系列機(jī)的指令字長度也是可變的，有8位、16位、32位、64位不等使用多字長指令目的在于提供足夠的地址位來解決訪問主存任何單元的尋址問題主要缺點(diǎn)

8、是必須兩次或多次訪問主存以取出一整條指令降低了CPU的運(yùn)算速度，同時(shí)占用了更多的存儲(chǔ)空間在一個(gè)指令系統(tǒng)中，如各種指令字長度是相等的，稱為等長指令字結(jié)構(gòu)指令字結(jié)構(gòu)簡單，且指令字長度不變例如都采用單字長指令或半字長指令如各種指令字長度隨指令功能而異，稱為變長指令字結(jié)構(gòu)指令字結(jié)構(gòu)靈活，能充分利用指令長度，但指令的控制較為復(fù)雜比如有的指令是單字長指令，有的指令是雙字長指令4.2.4 指令助記符計(jì)算機(jī)指令的操作碼和地址碼在計(jì)算機(jī)中用二進(jìn)制數(shù)據(jù)來表示對(duì)于書寫和閱讀程序非常麻煩通常用一些比較容易記憶的文字符號(hào)來表示指令中的操作碼和操作數(shù)，稱為助記符通常是34個(gè)英文縮寫字母，提示了每條指令的意義書寫和閱讀起來比較方便，也易于記憶例如，加法指令用ADD來代表操作碼001，減法指令用SUB來代表操作碼010，傳送