第四章 指令系統(tǒng)二

4.3.3指令格式分析與設(shè)計(jì)方法舉例例:某16位機(jī)指令格式結(jié)構(gòu)如下所示，試分析指令格式及尋址方式特點(diǎn)。OP—目標(biāo)寄存器源寄存器1510987430解:(1)單字長(zhǎng)二地址指令；(2)OP即操作碼字段6位,可指定64條指令；(3)兩個(gè)操作數(shù)都在寄存器中,故為R-R型指令,可以分別指定16個(gè)通用寄存器；(4)該類(lèi)指令結(jié)構(gòu)常用于算邏運(yùn)算類(lèi)指令。

例:某16位機(jī)指令格式結(jié)構(gòu)如下所示,試分析指令格式及尋址方式特點(diǎn)。OP—源寄存器變址寄存器1510987430解:(1)雙字長(zhǎng)二地址指令；(2)操作碼字段6位,可指定64條指令；(3)R-S型指令,一個(gè)操作數(shù)在通用寄存器(共16個(gè))中,另一個(gè)在主存中；(4)有效地址通過(guò)變址尋址求得,變址寄存器由16個(gè)通用R里的一個(gè)如Ri充當(dāng),則EA=(Ri)+偏移量.位移量(16位)例:某機(jī)配有基址寄存器和變址寄存器,采用一地址格式的指令系統(tǒng),允許直接和間接尋址,且指令字長(zhǎng)、機(jī)器字長(zhǎng)和存儲(chǔ)字長(zhǎng)均為16位,主存按字編址.(1)若采用單字長(zhǎng)指令,共能完成105種操作,則指令可直接尋址的范圍是多少？一次間接尋址的尋址范圍是多少？畫(huà)出其指令格式并說(shuō)明各字段的含義.【解答】105種操作,故操作碼取7位；按題意有4種尋址方式,故尋址方式特征位取2位.指令格式如下：OPMA7位2位7位各字段含義說(shuō)明(略)指令可直接尋址的范圍：27=128；一次間接尋址的范圍：216=65536。(2)若存儲(chǔ)字長(zhǎng)不變,可采用什么方法直接訪問(wèn)容量為16MB的主存？【解答】16MB=8M×16位,需要23位的地址位才能訪問(wèn)該主存的全部單元.可在上述(1)指令格式的基礎(chǔ)上，采用雙字長(zhǎng)指令；格式如下：7位2位7位A2OPMA1形式地址A=A1//A2共23位；剛好尋址8M個(gè)16位。例:某16位模型機(jī)共有64種操作,操作碼位置固定,且具有以下特點(diǎn)：(1)采用一地址或二地址格式；(2)由寄存器尋址、直接尋址和相對(duì)尋址(位移量為-128~+127)三種尋址方式；(3)有16個(gè)通用寄存器,算術(shù)運(yùn)算和邏輯運(yùn)算的操作數(shù)及運(yùn)算結(jié)果都在寄存器中；(4)取數(shù)/存數(shù)指令在通用寄存器和主存之間傳送數(shù)據(jù)；(5)存儲(chǔ)器容量為1MB,按字節(jié)編址.要求設(shè)計(jì)算邏指令、取數(shù)/存數(shù)指令和相對(duì)轉(zhuǎn)移指令的格式,并簡(jiǎn)述設(shè)計(jì)理由.解：(1)算邏指令為R-R型,單字長(zhǎng)16位二地址即可：OPMRiRj6位2位4位4位各個(gè)字段位數(shù)及作用說(shuō)明(略).(2)取數(shù)/存數(shù)指令為R-S型,鑒于1MB尋址的存儲(chǔ)容量,需要使用雙字長(zhǎng)32位二地址格式：OPMRiA16位2位4位4位A2注意其中Ri在取數(shù)時(shí)為目標(biāo)地址，存數(shù)時(shí)為源地址；其他字段說(shuō)明略。解:(3)相對(duì)轉(zhuǎn)移指令：按題目所給定的位移量-128~+127可知，有8位補(bǔ)碼表示該位移量即可；再考慮OP字段6位和尋址方式字段2位,使用單字長(zhǎng)一地址指令就可以設(shè)計(jì).OPMA6位2位8位各個(gè)字段位數(shù)及作用說(shuō)明(略).例:某機(jī)主存容量為4M×16位,且存儲(chǔ)字長(zhǎng)等于指令字長(zhǎng),若該機(jī)指令系統(tǒng)能完成97種操作,操作碼位數(shù)固定,具有直接、間接、變址、基址、相對(duì)、立即六種尋址方式.(1)畫(huà)出一地址指令格式并指出各字段作用.解:一地址指令格式為：OPMA7位3位6位OP操作碼字段7位—97種操作；M尋址方式特征字段3位—六種尋址方式；A形式地址字段16-7-3=6位。(2)該指令直接尋址的最大范圍是多少？解:A是6位,26=64位直接尋址的最大范圍.(3)一次間址和多次間址的尋址范圍？解:存儲(chǔ)字長(zhǎng)16位,故一次間址尋址范圍是216；若多次間址,需用存儲(chǔ)字的最高位來(lái)區(qū)別是否繼續(xù)間接尋址,故其尋址范圍為215.(4)立即數(shù)的范圍？解:A是6位,若是有符號(hào)數(shù)則立即數(shù)的范圍是-32~+31;無(wú)符號(hào)數(shù)則為0~63.(5)相對(duì)尋址的位移量(十進(jìn)制數(shù)表示)?解:位移量為補(bǔ)碼表示,所以有-32~+31。(6)上述六種尋址方式的指令哪一種執(zhí)行時(shí)間最短？哪一種執(zhí)行時(shí)間最長(zhǎng)？哪一種便于用戶(hù)編制處理數(shù)組問(wèn)題的程序？哪一種便于程序浮動(dòng)？解:立即尋址的執(zhí)行時(shí)間最短；間接尋址的執(zhí)行時(shí)間最長(zhǎng)；變址尋址指令便于用戶(hù)編制處理數(shù)組問(wèn)題的程序；相對(duì)尋址有利于程序浮動(dòng).例:內(nèi)存中數(shù)據(jù)分布如下,若A為單元地址,(A)為A的內(nèi)容.地址01234567…N內(nèi)容12345676…5試求:((7))-(N)+((N))+(((N)))=?解:因?yàn)?((7))=7,(N)=5,((N))=6,(((N)))=7所以:((7))-(N)+((N))+(((N)))=15注意：直接尋址、間接尋址的意義及表示法.例:設(shè)某臺(tái)計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)中共有57條指令:(1)若采用固定長(zhǎng)度編碼,其操作碼的編碼長(zhǎng)度需要多少位？解:需要6位,即從000000到111011.(2)設(shè)該指令系統(tǒng)中有10條指令的使用頻率為80%,其余為20%,若采用不等長(zhǎng)編碼方式,其操作碼的平均長(zhǎng)度為多少？解:采用不等長(zhǎng)編碼方式時(shí),常用的指令用短的操作碼表示,不常用的指令可用長(zhǎng)操作碼表示.10條常用指令用4位編碼表示,即從0000到1001.不常用的47條指令需要7位編碼表示,即從1010000到1111110,操作碼平均長(zhǎng)度:4×80%+7×20%=4.64.1指令系統(tǒng)的發(fā)展與性能要求4.4CISC和RISC4.3指令和數(shù)據(jù)的尋址方式4.2指令格式

4.4CICS和RISC2、60年代后期--由于集成電路(IC)出現(xiàn),硬件結(jié)構(gòu)越加復(fù)雜，對(duì)指令系統(tǒng)功能的要求也越來(lái)越高，增設(shè)了乘除運(yùn)算、浮點(diǎn)運(yùn)算、十進(jìn)制運(yùn)算、字符串處理等指令,指令數(shù)目達(dá)一二百條,尋址方式趨于多樣化,引入了各種數(shù)據(jù)類(lèi)型，指令系統(tǒng)不斷擴(kuò)大;1、50年代—計(jì)算機(jī)技術(shù)水平較低，使用的元件體積大、功耗高、價(jià)格高，故硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,指令系統(tǒng)的功能也相對(duì)簡(jiǎn)單，其中只有加減及邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送、轉(zhuǎn)移等十幾至幾十條指令,尋址方式簡(jiǎn)單;

一、指令系統(tǒng)的發(fā)展

引入系列機(jī)的概念:基本指令相同、基本體系結(jié)構(gòu)相同的一系列計(jì)算機(jī),如IBM370系列、VAX-11系列、IBMPC(XT/AT/286/386/486/Pentium)微機(jī)系列等.(1)系列機(jī)實(shí)現(xiàn)軟件兼容的必要條件是,該系列的各機(jī)種有共同的指令集,且新開(kāi)發(fā)機(jī)種的指令系統(tǒng)一定包含舊機(jī)型的所有指令.(2)指令系統(tǒng)的改進(jìn)是圍繞縮小指令與高級(jí)語(yǔ)言的語(yǔ)義差異以及有利于操作系統(tǒng)的優(yōu)化而進(jìn)行.以上原因,使指令本身功能不斷增強(qiáng),指令系統(tǒng)規(guī)模不斷加大.

3、70年代末期—隨著LSI和VLSI的出現(xiàn),計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)愈加復(fù)雜,計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)多達(dá)幾百條指令,稱(chēng)之為復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)complexinstructionsetcomputers,簡(jiǎn)稱(chēng)CISC.

(1)CISC特點(diǎn)：

指令系統(tǒng)復(fù)雜龐大，指令數(shù)目一般多達(dá)200-300條；

尋址方式多；

指令格式多；

指令字長(zhǎng)不固定；

各種指令使用頻率、執(zhí)行時(shí)間相差很大；

大多數(shù)采用微程序控制器.對(duì)CISC機(jī)測(cè)試表明:最常使用的是一些最簡(jiǎn)單最基本的指令,僅占指令總數(shù)的20%,但在程序中出現(xiàn)的頻率卻占80%.4、為克服CISC的不足,提高指令執(zhí)行速度,人們又提出了便于VLSI技術(shù)實(shí)現(xiàn)的精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)reducedinstructionsetcomputers,簡(jiǎn)稱(chēng)RISC。(1)RISC目的：希望用20%左右的簡(jiǎn)單指令來(lái)組合實(shí)現(xiàn)不常用的80%指令的功能.但不是簡(jiǎn)單地將指令系統(tǒng)簡(jiǎn)化,而是通過(guò)簡(jiǎn)化指令系統(tǒng),使計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)更加簡(jiǎn)單合理,從而提高處理速度.(2)認(rèn)識(shí)RISC優(yōu)勢(shì)的一個(gè)重要公式P=In?CPI?T

其中，P——計(jì)算機(jī)執(zhí)行某程序需要的時(shí)間；

In——高級(jí)語(yǔ)言程序編譯后在機(jī)器上運(yùn)行的實(shí)際指令數(shù)；CPI——執(zhí)行每條指令需要的平均周期數(shù)；T——每個(gè)機(jī)器周期所占的時(shí)間。下面列表比較CISC與RISC的三個(gè)參數(shù)的情況：類(lèi)型CISCRISC指令條數(shù)指令平均周期數(shù)周期時(shí)間

InCPIT12~533ns~5ns1.3~1.41.1~1.410ns~2nsP=In?CPI?T由表可以看出:(1)RISC指令較CISC簡(jiǎn)單,需用子程序代替CISC中較復(fù)雜指令,故RISC中的指令條數(shù)多于CISC;(2)RISC指令大多僅用一個(gè)機(jī)器周期完成,CPI明顯少于CISC;(3)而且RISC結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,完成一個(gè)操作經(jīng)過(guò)的數(shù)據(jù)通路短,T值大大下降.總之,RISC的執(zhí)行速度快于CISC.表4.1RISC/CISC的In、CPI、T統(tǒng)計(jì)比較(3)RISC特點(diǎn)：選取使用頻率最高的一些簡(jiǎn)單指令,以及很有用但不復(fù)雜的指令組成指令系統(tǒng),復(fù)雜指令的功能由簡(jiǎn)單指令的組合來(lái)實(shí)現(xiàn);指令長(zhǎng)度固定,指令格式種類(lèi)少(2-3種),尋址方式種類(lèi)少(2-3種)；以寄存器-寄存器方式工作,只有取數(shù)/存數(shù)(LOAD/STORE)指令訪問(wèn)存儲(chǔ)器,其余指令的操作都在寄存器之間進(jìn)行;CPU中有多個(gè)通用寄存器；控制器采用組合邏輯控制器；除LOAD/STORE指令外,其他指令都以流水方式工作，從而可在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)完成；采用優(yōu)化的編譯程序。

(4)RISC和CISC的比較：充分利用了VLSI芯片的面積RISC—采用組合邏輯控制器,占CPU芯片面積的10%左右,可增加大量的通用寄存器,將存儲(chǔ)管理部件也集成到CPU芯片內(nèi);CISC–采用微程序控制器,CM占