第四章指令系統(tǒng)2

第四章指令系統(tǒng)4.4指令和數(shù)據(jù)的尋址方式9、堆棧尋址方式堆棧尋址方式分寄存器堆棧、存儲(chǔ)器堆棧以先進(jìn)后出原理存儲(chǔ)數(shù)據(jù)堆棧尋址方式堆棧是一組能存儲(chǔ)和取出數(shù)據(jù)的暫時(shí)存儲(chǔ)單元。很多計(jì)算機(jī)把存儲(chǔ)器的一部分用作堆棧。堆棧和其他形式的存儲(chǔ)器之間的差別就在于，它們對數(shù)據(jù)的存取方法或?qū)ぶ贩椒ㄓ兴煌?。堆棧尋址方式堆棧是一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，是數(shù)據(jù)的一種組織方式。棧是一種只能在叫做棧頂?shù)囊欢诉M(jìn)行進(jìn)棧和出棧操作的線性數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。棧的主要特點(diǎn)是“后進(jìn)先出”。堆棧尋址方式常用的堆棧結(jié)構(gòu)有：串聯(lián)堆棧(硬件堆棧)存儲(chǔ)器堆棧(軟件堆棧)1串聯(lián)堆棧一些計(jì)算機(jī)的CPU中有一組專門的寄存器，有16個(gè)或更多，它們稱為串聯(lián)堆棧，其中每一個(gè)寄存器能保存一個(gè)字的數(shù)據(jù)。1串聯(lián)堆棧2存儲(chǔ)器堆棧串聯(lián)堆棧存在一些限制:一是寄存器的數(shù)目一般是有限的。如堆棧有8個(gè)寄存器，那么把多于8個(gè)的數(shù)據(jù)壓入堆棧時(shí),“老”的數(shù)據(jù)就從棧底壓出并被丟失。二是堆棧的讀出是破壞性的。當(dāng)從堆棧取出一個(gè)數(shù)時(shí)，它就不能再在堆棧中存在。2存儲(chǔ)器堆棧存儲(chǔ)器堆棧的三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：堆棧能夠具有程序員要求的任意長度；只要程序員喜歡，愿意建立多少堆棧，就能建立多少堆棧；可以用對存儲(chǔ)器尋址的任何一條指令來對堆棧中的數(shù)據(jù)進(jìn)行尋址。2存儲(chǔ)器堆棧存儲(chǔ)器堆棧的缺點(diǎn)：進(jìn)出棧的操作實(shí)質(zhì)上是對內(nèi)存的讀寫操作；進(jìn)出棧的操作要由多條指令完成；棧滿與?？盏呐袆e也要由軟件來完成。2存儲(chǔ)器堆棧在存儲(chǔ)器類型的堆棧中，需要一個(gè)堆棧指示器，它是CPU中一個(gè)專用的寄存器。堆棧指示器指定的存儲(chǔ)器單元，就是堆棧的棧頂。在設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)時(shí)，把主存儲(chǔ)器的一部分用作堆棧區(qū)。一旦設(shè)定堆棧區(qū)后，這一部分就不能用作其他用途。2存儲(chǔ)器堆棧2存儲(chǔ)器堆棧當(dāng)建立存儲(chǔ)器堆棧時(shí)，可用程序來設(shè)置。把一個(gè)主存地址送入堆棧指示器，就可確定堆棧的頂。在存儲(chǔ)器堆棧中，數(shù)據(jù)的壓入或取出操作，通常也是使用“進(jìn)?！敝噶詈汀俺鰲！敝噶顏韺?shí)現(xiàn)的，但是指令的功能和串聯(lián)堆棧中的情況有所不同。2存儲(chǔ)器堆棧（A）→Msp，（SP）－1→SP（SP）＋1→SP，（Msp）→Ａ存儲(chǔ)器堆棧中，進(jìn)棧時(shí)先存入數(shù)據(jù)，后修改堆棧指示器；出棧時(shí)，先修改堆棧指示器，然后取出數(shù)據(jù)。

4.4.3尋址方式舉例4.4.3尋址方式舉例4.4.3尋址方式舉例(P60-8)MOV001010STO011011LAD11110011110000111100010011110011010010001010000101011001101111

1101011000000001110000104.5典型指令4.5.1指令的分類1.數(shù)據(jù)傳送指令2.算術(shù)運(yùn)算指令3.邏輯運(yùn)算指令4.程序控制指令5.輸入輸出指令

6.字符串處理指令7.特權(quán)指令8.其他指令

1數(shù)據(jù)傳送指令這類指令用以實(shí)現(xiàn)寄存器與寄存器，寄存器與存儲(chǔ)器單元，存儲(chǔ)器單元與存儲(chǔ)器單元之間的數(shù)據(jù)傳送;數(shù)據(jù)傳送時(shí)，數(shù)據(jù)從源地址傳送到目的地址，而源地址中的數(shù)據(jù)保持不變，因此實(shí)際上是數(shù)據(jù)復(fù)制;數(shù)據(jù)傳送指令一次可以傳送一個(gè)數(shù)據(jù)或一批數(shù)據(jù);有些機(jī)器設(shè)置了數(shù)據(jù)交換指令，完成源操作數(shù)與目的操作數(shù)互換，實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)傳送。2算術(shù)運(yùn)算指令一般計(jì)算機(jī)都具有這類指令。早期的低檔微型機(jī)，要求價(jià)格便宜，硬件結(jié)構(gòu)比較簡單，支持的算術(shù)運(yùn)算指令就較少，一般只支持二進(jìn)制加、減法、比較和求補(bǔ)碼(取負(fù)數(shù))等最基本的指令；而其他計(jì)算機(jī)，由于要兼顧性能和價(jià)格兩方面因素，還設(shè)置乘、除法運(yùn)算指令。通常根據(jù)算術(shù)運(yùn)算的結(jié)果置狀態(tài)位，一般有Z(結(jié)果為0)、N(結(jié)果為負(fù))、V(結(jié)果溢出)、C(產(chǎn)生進(jìn)位或借位)四個(gè)狀態(tài)位。當(dāng)滿足括弧內(nèi)所提出的條件時(shí)，相應(yīng)位置成“1”，否則為“0”。3邏輯運(yùn)算指令通常計(jì)算機(jī)具有對兩個(gè)數(shù)進(jìn)行與、或、非(求反)、異或(按位加)等操作的邏輯運(yùn)算指令。有些計(jì)算機(jī)還設(shè)置有位操作指令，如位測試(測試指定位的值)、位清除(把指定位清零)、位求反(取某位的反值)指令等。4程序控制指令（轉(zhuǎn)移指令）無條件轉(zhuǎn)移指令條件轉(zhuǎn)移指令（根據(jù)狀態(tài)測試結(jié)果進(jìn)行轉(zhuǎn)移）轉(zhuǎn)子程序指令返回主程序指令中斷返回指令轉(zhuǎn)移指令分為絕對轉(zhuǎn)移和相對轉(zhuǎn)移5輸入/輸出（I/O）指令計(jì)算機(jī)所處理的一切原始數(shù)據(jù)和所執(zhí)行的程序(除了固化在ROM中的以外)均來自外部設(shè)備的輸入，處理結(jié)果需通過外部設(shè)備輸出。有些計(jì)算機(jī)采用外部設(shè)備與存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址的方法把外部設(shè)備寄存器看成是存儲(chǔ)器的某些單元，任何訪問存儲(chǔ)器的指令均可訪問外部設(shè)備，因此不再專設(shè)I／O指令。6輸入/輸出（I/O）指令計(jì)算機(jī)所處理的一切原始數(shù)據(jù)和所執(zhí)行的程序(除了固化在ROM中的以外)均來自外部設(shè)備的輸入，處理結(jié)果需通過外部設(shè)備輸出。有些計(jì)算機(jī)采用外部設(shè)備與存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址的方法把外部設(shè)備寄存器看成是存儲(chǔ)器的某些單元，任何訪問存儲(chǔ)器的指令均可訪問外部設(shè)備，因此不再專設(shè)I／O指令。7特權(quán)指令某些指令使用不當(dāng)會(huì)破壞系統(tǒng)或其他用戶信息，因此為了安全起見，這類指令只能用于操作系統(tǒng)或其他系統(tǒng)軟件，而不提供給用戶使用，稱為特權(quán)指令。一般來說，在單用戶、單任務(wù)的計(jì)算機(jī)中不一定需要特權(quán)指令，而在多用戶、多任務(wù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，特權(quán)指令卻是必不可少的。它主要用于系統(tǒng)資源的分配和管理，包括改變系統(tǒng)的工作方式、檢測用戶的訪問權(quán)限、修改虛擬存儲(chǔ)器管理的段表、頁表和完成任務(wù)的創(chuàng)建和切換等。在某些多用戶的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，為了統(tǒng)一管理所有的外部設(shè)備，輸入輸出指令也作為特權(quán)指令，不允許用戶直接使用。需輸入輸出時(shí)，可通過系統(tǒng)調(diào)用，由操作系統(tǒng)來完成。8其他指令等待指令停機(jī)指令空操作指令開中斷、關(guān)中斷狀態(tài)寄存器置位、復(fù)位指令測試指令向量指令多處理機(jī)指令4.5.2基本指令系統(tǒng)早期CISC設(shè)計(jì)風(fēng)格的主要特點(diǎn)：指令系統(tǒng)復(fù)雜。具體表現(xiàn)在指令數(shù)多、尋址方式多、指令格式多。絕大多數(shù)指令需要多個(gè)時(shí)鐘周期才能執(zhí)行完成。各種指令都可訪問存儲(chǔ)器。采用微程序控制。有專用寄存器。難以用優(yōu)化編譯生成高效的目標(biāo)代碼程序。4.5.3精簡指令系統(tǒng)RISC指令系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是：⑴選取使用頻率最高的一些簡單指令，指令條數(shù)少；⑵指令長度固定，指令格式種類少；⑶只有取數(shù)／存數(shù)指令訪問存儲(chǔ)器，其余指令的操作都在寄存器之間進(jìn)行。4.5.3精簡指令系統(tǒng)RISC技術(shù)的主要特征：簡化的指令系統(tǒng)。表現(xiàn)在指令數(shù)較少、基本尋址方式少、指令格式少、指令字長度一致。以寄存器－寄存器方式工作。以流水方式工作，從而可在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)執(zhí)行完畢。使用較多的通用寄存器以減少訪存，不設(shè)置或少設(shè)置專用寄存器。采用由陣列邏輯實(shí)現(xiàn)的組合電路控制器，不用或少用微程序。采用優(yōu)化編譯技術(shù)，保證流水線暢通，對寄存器分配進(jìn)行優(yōu)化。RISC的產(chǎn)生與發(fā)展1.RISC的產(chǎn)生1975年IBM公司開始研究指令系統(tǒng)的合理性問題，IBM的Johncocke提出精簡指令系統(tǒng)的想法。后來美國加州伯克萊大學(xué)的RISCI和RISCⅡ機(jī)、斯坦福大學(xué)的MIPS機(jī)的研究成功，為精簡指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)(reducedinstructionsetcomputer，簡稱RISC)的誕生與發(fā)展起了很大作用。對CISC進(jìn)行測試表明，各種指令的使用頻率相差懸殊，最常使用的是一些比較簡單的指令，僅占指令總數(shù)的20％，但在程序中出現(xiàn)的頻率卻占80％。而較少使用的占指令總數(shù)20％的復(fù)雜指令，為了實(shí)現(xiàn)其功能而設(shè)計(jì)的微程序代碼卻占總代碼的80％。

復(fù)雜的指令系統(tǒng)必然增加硬件實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜性，這不僅增加了研制時(shí)間和成本(例如，開發(fā)32位微處理器80386用了三年多時(shí)間、投資一億五千萬美元)以及設(shè)計(jì)失誤的可能性，而且由于復(fù)雜指令需要進(jìn)行復(fù)雜的操作，與功能較簡單的指令同時(shí)存在于一個(gè)機(jī)器中，很難實(shí)現(xiàn)流水線操作，從而降低了機(jī)器的速度。

另外還難以將基于CISC技術(shù)的高檔微型機(jī)的全部硬件集成在一個(gè)芯片上或?qū)⒋蟆⒅行蜋C(jī)的CPU裝配在一塊板上，而對電路的延遲時(shí)間來講，芯片內(nèi)部、芯片之間與插件板之間的電路，其延遲時(shí)間差別很大，這也會(huì)影響CISC的速度。

由于以上原因，終于產(chǎn)生了不包含復(fù)雜指令的RISC。2．RISC的發(fā)展1983年以后，一些中、小型公司開始推出RISC產(chǎn)品，由于它具有高性能價(jià)格比，市場占有率不斷提高。1987年SUN微系統(tǒng)公司用SPARC芯片構(gòu)成工作站，從而使其工作站的銷售量居于世界首位。當(dāng)前一些大公司，如IBM，DEC，Intel，Motorola等都將其部分力量轉(zhuǎn)到RISC方面來，RISC已成為當(dāng)前計(jì)算機(jī)發(fā)展的不可逆轉(zhuǎn)的趨勢。一些發(fā)展較早的大公司轉(zhuǎn)向RISC是很不容易的，因?yàn)镽ISC與CISC指令系統(tǒng)不兼容，因此他們在CISC上開發(fā)的大量軟件如何轉(zhuǎn)到RISC平臺(tái)上來是首先要考慮的；而且這些公司的操作系統(tǒng)專用性強(qiáng)，又比較復(fù)雜，更給軟件的移植帶來了困難。而像SUN微系統(tǒng)公司，以UNIX操作系統(tǒng)作為基礎(chǔ)，軟件移植比較容易，因此它的工作站的重點(diǎn)很快從CISC(用68020微處理器)轉(zhuǎn)移到RISC(用SPARC徽處理器)。從技術(shù)發(fā)展的角度來講，CISC技術(shù)已很難再有突破性的大進(jìn)展，要想大幅度提高性能價(jià)格比也已很困難。而RISC技術(shù)是在CISC基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，且發(fā)展勢頭正猛。正因?yàn)榭吹竭@一點(diǎn)，在CISC市場上占有率最高的Intel公司和Motorola公司也進(jìn)軍RISC領(lǐng)域。IBM、Motorola和Apple聯(lián)合發(fā)展PowerPC芯片，HP和Intel聯(lián)合開發(fā)代號(hào)為Merced的微處理器芯片。RISC的產(chǎn)生與發(fā)展RISC的特點(diǎn)精簡指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)的著眼點(diǎn)不是簡單地放在簡化指令系統(tǒng)上，而是通過簡化指令使計(jì)算機(jī)的結(jié)構(gòu)更加簡單合理，從而提高運(yùn)算速度。計(jì)算機(jī)執(zhí)行程序所需要的時(shí)間P可用下式表示:

P=I╳CPI

╳T

其中I是高級(jí)語言程序編譯后在機(jī)器上運(yùn)行的指令數(shù)，CPI為執(zhí)行每條指令所需的平均周期數(shù)，T是每個(gè)機(jī)器周期的時(shí)間。

由于RISC指令比較簡單，原CISC機(jī)中比較復(fù)雜的指令在這里用于程序來代替，因此RISC的I要比CISC多20％一40％。但是RISC的大多數(shù)指令只用一個(gè)機(jī)器周期實(shí)現(xiàn)(80年代)，所以CPI的值要比CISC小得多。同時(shí)因?yàn)镽ISC結(jié)構(gòu)簡單，所以完成一個(gè)操作所經(jīng)過的數(shù)據(jù)通路較短，使得了值大為減少。后來，RISC的硬件結(jié)構(gòu)有很大改進(jìn)，一個(gè)機(jī)器周期平均可完成1條以上指令，甚至可達(dá)到幾條指令。RISC的特點(diǎn)證明題1、

用定量分析方法證明多模塊交叉存儲(chǔ)器帶寬大于順序存儲(chǔ)器帶寬。

解：假設(shè)：（P90）①存儲(chǔ)器模塊字長等于數(shù)據(jù)總線寬度；②模塊存取一個(gè)字的存儲(chǔ)周期等于T；③總線傳送周期為τ；④交叉存儲(chǔ)器的模塊數(shù)為m。T=mτ交叉存儲(chǔ)器要求其模塊數(shù)≥m，以保證啟動(dòng)某模塊后經(jīng)mτ時(shí)間再次啟動(dòng)該模塊時(shí)，它的上次存取操作已經(jīng)完成。這樣連續(xù)讀取m個(gè)字所需時(shí)間為：（1）交叉存儲(chǔ)器為實(shí)現(xiàn)流水方式存儲(chǔ)，即每經(jīng)過τ時(shí)間延時(shí)后啟動(dòng)下一模塊，應(yīng)滿足：t1=T+(m-1)τ=mτ+mτ-τ=(2m-1)τ(2)順序方式存儲(chǔ)器連續(xù)讀取m個(gè)字所需時(shí)間為

t2=mmτ=m2τ存儲(chǔ)器帶寬為比較可知W1>W2故存儲(chǔ)器帶寬為：W1==11t1(2m-1)τW2==11t2m2τ簡答題1

、簡要總結(jié)一下，采用哪幾種技術(shù)手段可以加快存儲(chǔ)系統(tǒng)的訪問速度？

2、一臺(tái)機(jī)器的指令系統(tǒng)有哪幾類典型指令？列出其名稱。

設(shè)計(jì)題1、用2M×8位的SRAM芯片，設(shè)計(jì)8M×32位的SRAM存儲(chǔ)器。

A0-A20為片內(nèi)地址；用4片為一組進(jìn)行位擴(kuò)展，構(gòu)成2M×32位；用4組進(jìn)行字?jǐn)U展，構(gòu)成8M×32位；用A21和A22經(jīng)2：4譯碼器產(chǎn)生各組的片選信號(hào)2、機(jī)器字長32位，常規(guī)設(shè)計(jì)的物理存儲(chǔ)空間≤32M，若將物理存儲(chǔ)空間擴(kuò)展到256M，請?zhí)岢鲆环N設(shè)計(jì)方案。

解：可采用多體交叉存取方案，即將主存分成8個(gè)相互獨(dú)立、容量相同的模塊M0，M1，M2，···，M7，每個(gè)模塊32M×32位。它們各自具備一套地址寄存器、數(shù)據(jù)緩沖寄存器，各自以等同的方式與CPU傳遞信息。0819715CPU存儲(chǔ)器控制器M0M1M7CPU訪問8個(gè)存儲(chǔ)模塊，可采用兩種方式：一種是在一個(gè)存取周期內(nèi)，同時(shí)訪問8個(gè)存儲(chǔ)模塊，由存儲(chǔ)器控制器控制它們分時(shí)使用總線進(jìn)行信息傳遞。另一種方式是：在一個(gè)存取周期內(nèi)分時(shí)訪問每個(gè)體，即每經(jīng)過1/8存取周期就訪問一個(gè)模塊。這樣對每個(gè)模塊而言，從CPU給出訪存操作命令直到讀出信息仍然是一個(gè)存取周期時(shí)間。而對CPU來說，它可以在一個(gè)存取周期內(nèi)連續(xù)訪問8個(gè)存儲(chǔ)體，各體的過程將重疊（并行）進(jìn)行。3、某機(jī)器單字長指令為32位，共有40條指令，通用寄存器有128個(gè)，主存最大尋址空間為64M。尋址方式有立即尋址、直接尋址、寄存器尋址、寄存器間接尋址、基值尋址、相對尋址六種。請?jiān)O(shè)計(jì)指令格式，并做必要說明。解：(1)40指令，OP為占6位；(2)六種尋址方式，占3位；(3)用7位來指定寄存器；(4)剩余16位為偏移量，直接尋址空間為64K；

分析題1、某機(jī)的指令格式如下所示

X為尋址特征位：X=00：直接尋址；X=01：用變址寄存器RX1尋址；X=10：用變址寄存器RX2尋址；X=11：相對尋址

設(shè)(PC)=1234H,(RX1)=0037H,(RX2)=1122H（H代表十六進(jìn)制數(shù)），請確定下列指令中的有效地址：

①4420H

②2244H

③1322H

④3521H解：（1）X=00，D=20H，有效地址EA=20H；（2）X=10，D=44H，有效地址EA=1122H+44H=1166H；（3）X=11，D=22H，有效地址EA=1234H+22H=1256H；（4）X=01，D=21H，有效地址EA=0037H+21H=0058H。(PC)=1234H,(RX1)=0037H,(RX2)=1122H

①4420H

②2244H

③1322H

④