計(jì)算機(jī)原理計(jì)原課件3-1指令系統(tǒng)

1、第3章 指令系統(tǒng)3.1 指令格式3.2 尋址技術(shù)3.3 堆棧與堆棧操作3.4 指令類(lèi)型3.5 指令系統(tǒng)的發(fā)展裸機(jī)軟件指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)概述計(jì)算機(jī)的指令按計(jì)算機(jī)組成的層次結(jié)構(gòu)可分為微指令是微程序級(jí)的命令，屬于硬件宏指令是由若干條機(jī)器指令組成的軟件指令，屬于軟件機(jī)器指令（指令）介于微指令與宏指令之間，每條指令可完成一個(gè)獨(dú)立的算邏運(yùn)算操作指令指計(jì)算機(jī)執(zhí)行某些操作的命令。指令系統(tǒng)一臺(tái)計(jì)算機(jī)中所有指令的集合。指令系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中的地位它是表征計(jì)算機(jī)性能的重要因素它直接影響到硬件結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)軟件和機(jī)器的適用范圍是硬件和軟件間的界面。指令系統(tǒng)的發(fā)展年代硬件發(fā)展指令系統(tǒng)1950至60年代分立元件(晶體管或電子管

2、)硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單只有十幾至幾十條最基本的指令，定點(diǎn)加、減法，邏輯運(yùn)算，轉(zhuǎn)移指令和傳送指令1960年代中、后期集成電路的出現(xiàn)，硬件功能增加指令系統(tǒng)越來(lái)越豐富(100200條)出現(xiàn)系列計(jì)算機(jī)，它可解決軟件兼容問(wèn)題1970年代VLSI指令系統(tǒng)越來(lái)越龐大（200300條）高級(jí)語(yǔ)言成為主要程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言，出現(xiàn)復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)CISC、精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)RISC3.1 指令格式機(jī)器指令是用機(jī)器字來(lái)表示的表示一條指令的機(jī)器字稱(chēng)為指令字（簡(jiǎn)稱(chēng)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，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(lái)指定參與操

3、作的操作數(shù)或操作數(shù)地址操作碼地址碼按地址碼的數(shù)量，指令格式分為四地址指令： (A1) OP (A2)A3, A4=下條指令地址三地址指令： (A1) OP (A2)A3二地址指令 (A1) OP (A2)A1一地址指令 OP (A1)A1 或 (AC) OP (A1)Ac零地址指令 地址碼結(jié)構(gòu)OPA1A2A3OPA1A2OPA1OPAC為累加器OPA1A2A3A4地址個(gè)數(shù)的選取需考慮的因素縮短程序長(zhǎng)度用戶(hù)使用方便，增加操作并行度等方面來(lái)看，選用三地址指令格式較好；縮短指令長(zhǎng)度減少訪存次數(shù)，簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)等方面來(lái)看，一地址指令格式較好。解決同一個(gè)問(wèn)題的程序長(zhǎng)度用三地址指令編寫(xiě)的程序最短，但指令長(zhǎng)度

4、最長(zhǎng)，用二、一、零地址指令來(lái)編寫(xiě)程序，程序的長(zhǎng)度一個(gè)比一個(gè)長(zhǎng)，但指令的長(zhǎng)度一個(gè)比一個(gè)短。操作碼操作碼表示該指令進(jìn)行什么性質(zhì)的操作表征指令的操作特性與功能。 操作碼所占的二進(jìn)制位數(shù)決定了一臺(tái)計(jì)算機(jī)所能允許的指令條數(shù)。如操作碼占用六位二進(jìn)制碼時(shí)，這臺(tái)計(jì)算機(jī)最多允許有： 2664 條指令操作碼地址碼規(guī)整型（定長(zhǎng)編碼）操作碼的位數(shù)固定不變，而且集中放在指令字的一個(gè)字段中。設(shè)指令系統(tǒng)共有m條指令，操作碼字段的位數(shù)為N位，則有： Nlog2 m特點(diǎn) 有利于簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)，減少指令譯碼時(shí)間，但存在著信息冗余。 廣泛用于字長(zhǎng)較長(zhǎng)的大、中型計(jì)算機(jī)和超級(jí)小型計(jì)算機(jī)中操作碼的編碼操作碼地址碼定長(zhǎng)編碼的指令格式舉例如：

5、IBM370和VAX11系列機(jī)中, 操作碼的長(zhǎng)度都是8位，可表示256條指令，但實(shí)際僅有183條指令。OPOPOPOPOP 非規(guī)整型（變長(zhǎng)編碼）是操作碼擴(kuò)展技術(shù)的應(yīng)用，即操作碼的長(zhǎng)度是可變的，且分散地放在指令的不同字段中。特點(diǎn)有利于壓縮程序中操作碼的平均長(zhǎng)度，操作碼字段的位數(shù)和位置不固定將增加指令譯碼和分析的難度，使控制器的設(shè)計(jì)復(fù)雜化。 在字長(zhǎng)較短的小、微型機(jī)中被廣泛應(yīng)用。如：PDP11（字長(zhǎng)16位），其操作碼的長(zhǎng)度均是可變的。操作碼的編碼操作碼地址碼變長(zhǎng)編碼的指令格式舉例如：PDP11（字長(zhǎng)16位），其操作碼的長(zhǎng)度均是可變的。OPOPOPOPOPOPOPOP操作碼擴(kuò)展技術(shù)這是一個(gè)16位字長(zhǎng)的

6、指令碼，包括4位基本操作碼字段三個(gè)4位長(zhǎng)的地址字段。4位基本操作碼若全部用于三地址指令，則有16條。顯然，4位基本操作碼是不夠的，必須向地址碼字段擴(kuò)展操作碼的長(zhǎng)度。OPA1A2A3 4位 4位 4位 4位操作碼擴(kuò)展技術(shù)0000A1A2A30001A1A2A31110A1A2A31111A1A2A3OPA1A2A34位基本操作碼若全部用于三地址指令，則有16條。15條三地址指令的操作碼由4位基本操作碼00001110所給定剩下一個(gè)1111則用于把操作碼擴(kuò)展到A1地址碼字段，即由4位擴(kuò)展到8位1111為區(qū)分非三地址碼指令的標(biāo)志1111操作碼擴(kuò)展技術(shù)OPOP1A2A311110000A2A31111

7、0001A2A311111110A2A31111111115條二地址指令的操作碼由8位操作碼1111000011111110所給定剩下一個(gè)11111111則用于把操作碼擴(kuò)展到A2地址碼字段，即由8位擴(kuò)展到12位11111111為區(qū)分非二地址碼指令的標(biāo)志已有15條三地址指令1111操作碼擴(kuò)展技術(shù)OPOP1OP2A3111111110000A3111111110001A3111111111110A3111111111111已有15條三地址指令， 15條二地址指令。15條一地址指令的操作碼由12位操作碼111111110000111111111110所給定剩下一個(gè)111111111111則用于把操作

8、碼擴(kuò)展到A3地址碼字段，即由12位擴(kuò)展到16位111111111111為區(qū)分非一地址碼指令的標(biāo)志1111操作碼擴(kuò)展技術(shù)OPOP1OP2OP31111111111110000111111111111000111111111111111101111111111111111擴(kuò)展后，共有15條三地址指令， 15條二地址指令，15條一地址指令，16條零地址指令，共61條。16條零地址指令的操作碼由16位操作碼11111111111100001111111111111111所給定操作碼擴(kuò)展技術(shù)15條三地址指令0000 XXXX YYYY ZZZZ1110 XXXX YYYY ZZZZ111115條二地址指

9、令1111 0000 XXXX YYYY1111 1110 XXXX YYYY1111 111115條一地址指令1111 1111 0000 XXXX1111 1111 1110 XXXX1111 1111 111116條零地址指令1111 1111 1111 00001111 1111 1111 1111擴(kuò)展窗口擴(kuò)展窗口擴(kuò)展窗口OPA1A2A3操作碼擴(kuò)展技術(shù)某計(jì)算機(jī)為定長(zhǎng)指令字結(jié)構(gòu),有二、一、零地址指令3類(lèi)若已知二地址指令已有K種，零地址指令有L種問(wèn)：一地址指令最多可能有多少種？上述3類(lèi)指令各自允許的最大指令條數(shù)是多少？OPA1A2 4位 6位 6位 OPAOPMAX二地址指令=24-1MAX一地址指令=(24-1)26-1MAX零地址指令=216-212-26一地址指令最多可能有操作碼擴(kuò)展技術(shù)特點(diǎn)：在指令長(zhǎng)度不變的情況下，增加了指令數(shù)量，豐富了指令功能。若