第 4 章 指令、指令系統(tǒng)和控制器部件

第4章指令、指令系統(tǒng)和控制器部件一、指令系統(tǒng)綜述：指令與指令格式，尋址方式。基本指令系統(tǒng)：教學(xué)計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)和匯編程序設(shè)計(jì)。擴(kuò)充性知識(shí)：PDP-11機(jī)指令系統(tǒng)，NOVA機(jī)指令系統(tǒng)。二、控制器的功能和組成

控制器的功能，控制器的組成，指令的執(zhí)行步驟。

控制器的分類：微程序控制器和組合邏輯控制器。三、微程序控制器的運(yùn)行原理

微指令的格式：下地址字段和控制命令字段。四、教學(xué)計(jì)算機(jī)的微程序控制器

指令分類與典型指令的執(zhí)行過程，

微程序分析，設(shè)計(jì)新指令的微程序及調(diào)試運(yùn)行。五、組合邏輯控制器的組成與運(yùn)行原理

8位教學(xué)實(shí)驗(yàn)計(jì)算機(jī)的組成與設(shè)計(jì)實(shí)例。返回一、指令系統(tǒng)指令:功能定義用法指令格式:操作碼

操作數(shù)地址固定長度可變長度交叉安排無地址一地址二地址多地址2.尋址方式外設(shè)尋址入/出端口地址方式統(tǒng)一映象方式主存尋址寄存器尋址直接尋址變址尋址寄存器間址間接尋址相對(duì)尋址基地址尋址立即數(shù)尋址堆棧尋址1.指令與指令格式返回計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。硬件指由中央處理機(jī)、存儲(chǔ)器以及外部設(shè)備等組成的實(shí)際裝置。軟件是為便于用戶使用計(jì)算機(jī)而編寫的各種程序，它實(shí)際上是由一系列機(jī)器指令組成的。指令是用戶使用計(jì)算機(jī)和計(jì)算機(jī)運(yùn)行的最小的功能單位，一臺(tái)計(jì)算機(jī)支持（或稱使用）的全部指令構(gòu)成該計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)，它對(duì)計(jì)算機(jī)本身的硬件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度和運(yùn)行性能，對(duì)用戶完成程序設(shè)計(jì)的難易程度和工作效率，有非常重要的影響，必須對(duì)設(shè)計(jì)指令系統(tǒng)的工作給以足夠的重視，慎重確定。返回對(duì)指令系統(tǒng)的要求完備性:指令齊全，編程方便高效性：占內(nèi)存少，運(yùn)行省時(shí)規(guī)整性：指令與運(yùn)算規(guī)則統(tǒng)一兼容性：新舊機(jī)指令軟件兼容當(dāng)前的計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)，從其構(gòu)成的復(fù)雜和完備程度，或者說設(shè)計(jì)中追求的不同的目標(biāo)，區(qū)分，可分為CISC和RISC兩類：RISC（ReducedInstructionSetComputer）,通常稱為精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)，只有數(shù)目較少、格式與功能簡(jiǎn)單、運(yùn)行高效的指令，追求的是計(jì)算機(jī)控制器實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，運(yùn)行高速，更容易在單塊超大規(guī)模集成電路中芯片內(nèi)制做出來。CISC（ComplexInstructionSetComputer）,通常稱為復(fù)雜指令系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)，是相對(duì)于RISC一詞而提出來的一種說法。其特點(diǎn)是：指令條數(shù)多，格式多樣，尋址方式復(fù)雜，每條指令的功能強(qiáng)，優(yōu)點(diǎn)是匯編程序設(shè)計(jì)容易些，但計(jì)算機(jī)控制器的實(shí)現(xiàn)困難多，很多指令被使用的機(jī)會(huì)并不多。返回指令格式指令：功能、定義、用法指令格式：操作碼操作數(shù)地址固定長度（IBM/PC）擴(kuò)展長度（PDP-11）交叉安排（NOVA)無地址一地址二地址多地址三種方案按操作數(shù)個(gè)數(shù)劃分教學(xué)計(jì)算機(jī)的操作碼：TEC-2機(jī)采用8位固定長度TEC-200016位機(jī)采用8位固定長度TEC-20008位機(jī)采用逐段擴(kuò)展長度返回尋址方式尋址方式（又稱編址方式）指的是確定本條指令的數(shù)據(jù)地址及下一條要執(zhí)行的指令地址的方法。不同的計(jì)算機(jī)系統(tǒng),使用數(shù)目和功能不同的尋址方式，其實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜程度和運(yùn)行性能各不相同。有的計(jì)算機(jī)尋址方式較少，而有些計(jì)算機(jī)采用多種尋址方式。通常需要在指令中為每一個(gè)操作數(shù)專設(shè)一個(gè)地址字段，用來表示數(shù)據(jù)的來源或去向的地址。在指令中給出的操作數(shù)的地址被稱為形式地址，使用形式地址信息并按一定的規(guī)則計(jì)算出來的一個(gè)數(shù)值才是數(shù)據(jù)（或指令）的實(shí)際地址。在指令的操作數(shù)地址字段，可能要指出：

①運(yùn)算器中的累加器的編號(hào)或?qū)Ｓ眉拇嫫髅Q（編號(hào)）

②輸入/輸出指令中用到的I/O設(shè)備的入出端口地址

③內(nèi)存儲(chǔ)器的一個(gè)存儲(chǔ)單元（或一I/O設(shè)備）的地址有多種基本尋址方式

和某些符合尋址方式,簡(jiǎn)介如下:返回計(jì)算機(jī)的CPU中一般設(shè)置有一定數(shù)量的通用寄存器，用于存放操作數(shù)、操作數(shù)地址或中間結(jié)果。假如指令地址碼字段給出某一通用寄存器的編號(hào)（地址），且所需的操作數(shù)就在這一寄存器中，這就是寄存器尋址方式；若該寄存器中存放的是操作數(shù)在內(nèi)存儲(chǔ)器中所在單元的地址，這就是寄存器間接尋址方式?？赏ㄟ^指令的操作碼或另設(shè)一個(gè)字段，來區(qū)分這兩種不同的尋址方式。1、寄存器尋址、寄存器間接尋址例：RegNo.=5，使用5#累加器 ，此時(shí)5#累加器中的內(nèi)容為7，可記為(R5)=7，對(duì)寄存器尋址方式，操作數(shù)就是這里的數(shù)值7對(duì)寄存器間接尋址，從內(nèi)存7#單元讀出來的數(shù)才是操作數(shù)返回2、立即數(shù)尋址所需的一個(gè)操作數(shù)在指令的地址碼部分直接給出。則Num即為操作數(shù)的值。適用于操作數(shù)固定的情況，提高了指令的執(zhí)行速度，當(dāng)該立即數(shù)的值限定為較小值（占用位數(shù)少）時(shí)，可在第一個(gè)指令字中直接給出，否則可在第二個(gè)指令字中給出。返回在指令的地址碼字段直接給出所需的操作數(shù)（或指令）在存儲(chǔ)器中的地址。則Addr為操作數(shù)在存儲(chǔ)器中的地址。

或轉(zhuǎn)移指令等用到的指令地址。3、直接尋址例：Addr=H5718，這里的H表示5718是16進(jìn)制的值[H5718]=3，內(nèi)存儲(chǔ)器5718單元中的內(nèi)容為3，則操作數(shù)就是這里的3，或下一條指令的地址為3。常用于讀寫內(nèi)存的指令或轉(zhuǎn)移等指令中。內(nèi)存儲(chǔ)器操作數(shù)返回操作數(shù)的地址由指定的變址寄存器（由Reg指定）的內(nèi)容和指令中的地址碼（Disp）相加得到。4、變址尋址通用寄存器加法器存儲(chǔ)器操作數(shù)例：Disp=H18，Reg=5，(R5)=H5700則操作數(shù)地址=H5718便于對(duì)數(shù)組元素進(jìn)行處理，是計(jì)算機(jī)中常用的一種尋址方式。返回 操作數(shù)（或指令）的地址由程序計(jì)數(shù)器PC的內(nèi)容（即當(dāng)前執(zhí)行指令的地址）和指令的地址碼相加得到。5、相對(duì)尋址例：Disp=H48 (PC)=H5600則實(shí)際地址=H56481．主要用于轉(zhuǎn)移指令，對(duì)浮動(dòng)程序很有用。2．位移量可正可負(fù)，通常用補(bǔ)碼表示。返回指令的地址碼字段給出的內(nèi)容既不是操作數(shù)，也不是操作數(shù)的地址，而是操作數(shù)（或指令）地址的地址，這被稱為間接尋址方式，多一次讀內(nèi)存儲(chǔ)器的操作。6、間接尋址存儲(chǔ)器操作數(shù)Addr1指令中的Addr可以用其他尋址方式給出，例如變址尋址，這就成為變址尋址與間接尋址的復(fù)合尋址方式。返回在計(jì)算機(jī)中設(shè)置一個(gè)專用的基址寄存器，操作數(shù)（或指令）的地址通過基址寄存器的內(nèi)容和指令中的地址碼相加得到。7、基址尋址基址寄存器加法器存儲(chǔ)器操作數(shù)例：Disp=H18，[BS]=H5700則操作數(shù)地址=H5718主要用于為程序或數(shù)據(jù)分配存儲(chǔ)區(qū)，對(duì)多道程序或浮動(dòng)程序很有用，解決了程序在存儲(chǔ)器中的定位和擴(kuò)大尋址空間等問題。返回堆棧是內(nèi)存儲(chǔ)器中一塊按“后進(jìn)先出”原則進(jìn)行讀寫的存儲(chǔ)區(qū)，并通過一個(gè)專用的寄存器（稱為堆棧指針SP）給出堆棧的棧頂（和次棧頂）地址完成數(shù)據(jù)的讀寫操作，故不必在指令中用操作數(shù)地址字段給堆棧地址。通常在讀寫操作的前后伴隨有計(jì)算機(jī)自動(dòng)（不是用戶通過指令）修改SP內(nèi)容的動(dòng)作，以確保按正確的“后進(jìn)先出”原則讀寫堆棧區(qū)。例如：（SP）-1SP和AR，即SP的內(nèi)容減1存回SP，并送內(nèi)存地址寄存器，接下來才可以把數(shù)據(jù)寫到堆棧中。完成一次讀堆棧操作后，要接著執(zhí)行（SP）+1SP的一次自動(dòng)修改SP內(nèi)容的操作。8、堆棧尋址

需要注意的是，指令長度可能是一個(gè)字，也可能是兩個(gè)字或多個(gè)字，要看操作數(shù)地址字段的位數(shù)要求，由具體的情況決定。返回教學(xué)機(jī)的指令格式單字指令僅用一個(gè)指令字。雙字指令要用兩個(gè)指令字,此時(shí)第二個(gè)指令字的內(nèi)容可能是立即數(shù)、一個(gè)絕對(duì)地址或一個(gè)變址位移量。操作碼條件碼目的寄存器源寄存器I/O端口地址條件轉(zhuǎn)移指令的偏移量直接數(shù)/內(nèi)存地址/指令中變址偏移量6位2位4位4位返回第一個(gè)指令字分為三個(gè)主要部分。最高6位是操作碼。從這個(gè)意義上講,教學(xué)機(jī)的基本指令是固定長度的操作碼結(jié)構(gòu),最多支持64條基本指令。中間的兩位,即第9、8兩位是條件碼。目前我們把它用作條件轉(zhuǎn)移指令的判斷條件。

最低的8位有多種用法：1或2個(gè)寄存器的編號(hào)，入/出端口的地址，或用于給出相對(duì)轉(zhuǎn)移指令的偏移量教學(xué)機(jī)的指令格式操作碼條件碼目的寄存器源寄存器I/O端口地址相對(duì)轉(zhuǎn)移指令的偏移量直接數(shù)/內(nèi)存地址/指令中變址偏移量6位2位4位4位返回第二單元作業(yè)與第一次實(shí)驗(yàn)題目的:學(xué)習(xí)TEC-2機(jī)監(jiān)控程序的用法與實(shí)現(xiàn)技術(shù);

熟悉TEC-2機(jī)的指令系統(tǒng)和匯編程序設(shè)計(jì);

復(fù)習(xí)第一單元學(xué)過的碼制轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)運(yùn)算。教學(xué)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1.用

TEC-2機(jī)指令設(shè)計(jì)并調(diào)試原碼一位乘和補(bǔ)碼一位除兩個(gè)子程序。2.用TEC-2