組成原理課件 - 指令系統(tǒng)

了解機(jī)器語(yǔ)言的基本概念；

掌握指令格式、尋址方式、指令字長(zhǎng)及指令類型對(duì)指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響；會(huì)根據(jù)指令格式、指令字長(zhǎng)及尋址方式要求設(shè)計(jì)指令的編碼。

第4章指令系統(tǒng)§4·1機(jī)器指令一、基本概念1、機(jī)器指令由0、1代碼表示，計(jì)算機(jī)硬件能夠識(shí)別并直接執(zhí)行的操作命令。2、指令系統(tǒng)一臺(tái)計(jì)算機(jī)所有機(jī)器指令的集合，它反映了該計(jì)算機(jī)具有的基本功能。它是軟件和硬件的主要界面。3、指令的執(zhí)行過(guò)程取指令→分析指令→執(zhí)行指令軟件硬件指令系統(tǒng)

地址碼二、指令格式指明指令所完成的操作，其位數(shù)反映了機(jī)器的操作種類即機(jī)器指令的條數(shù)。1、操作碼2、地址碼指明與操作數(shù)有關(guān)的信息，操作數(shù)、操作數(shù)地址或運(yùn)算結(jié)果地址。操作碼位數(shù)n與機(jī)器指令條數(shù)m的關(guān)系2n≥m或n≥log2m操作碼例:某計(jì)算機(jī)有78條指令，采用等長(zhǎng)操作碼編碼需要多少位？三、地址碼格式指令地址碼格式中要指明一條指令操作數(shù)地址的個(gè)數(shù)及操作數(shù)地址采用什么方式給出。

1、三地址指令OPA1A2A3功能：（A1）OP（A2）→A3特點(diǎn)：

（1）兩個(gè)操作數(shù)均保持不變，可再次使用；（2）適用于字長(zhǎng)較長(zhǎng)的大、中型機(jī)。三、地址碼格式2、二地址指令OPA1A2功能：（A1）OP（A2）→A1特點(diǎn)：

（1）操作數(shù)A1被運(yùn)算結(jié)果替代；（2）適用于字長(zhǎng)較短的小型機(jī)和微型機(jī)。三、地址碼格式3、一地址指令OPA功能：OP（A）→A特點(diǎn)：

（1）操作數(shù)A被運(yùn)算結(jié)果替代；（2）在許多微型機(jī)中，雙操作數(shù)指令也采用一地址指令格式，在指令中源操作數(shù)由地址碼A給出，另一操作數(shù)隱含在累加器AX中。（AX）OP（A）→AX（3）適用于字長(zhǎng)較短的小型機(jī)和微型機(jī)。三、地址碼格式4、零地址指令OP特點(diǎn)：

（1）無(wú)需任何操作數(shù)；（2）所需操作數(shù)是隱含指定的。四、操作碼格式1、定長(zhǎng)的操作碼操作碼的位數(shù)與位置固定，占據(jù)指令最前面的幾位。IBM370、VAX-11、Intel8086/8088特點(diǎn)：（1）簡(jiǎn)化操作碼譯碼器的設(shè)計(jì)，縮短指令譯碼時(shí)間；（2）指令擴(kuò)展性差；（3）廣泛用于大、中、小型機(jī)及RISC中。例：一臺(tái)模型機(jī)有7條指令，采用定長(zhǎng)操作碼，操作碼位數(shù)為幾位？應(yīng)采用什么樣的譯碼器？四、操作碼格式2、擴(kuò)展操作碼操作碼的位數(shù)不固定，占據(jù)指令前面若干位。如

PDP-11

機(jī)。特點(diǎn)：（1）常用指令用較短的操碼，不常用的指令用較長(zhǎng)的操作碼，可縮短指令操作碼平均長(zhǎng)度；（2）指令擴(kuò)展性強(qiáng)，便于增加新指令；（3）指令譯碼電路復(fù)雜；（4）任何短碼不能為長(zhǎng)碼的前綴，確保編碼的唯一性。例：某臺(tái)計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)中共有50條指令，試問(wèn)：（1）若采用定長(zhǎng)編碼方式，其操作碼的編碼長(zhǎng)度需要多少位？（2）設(shè)該指令系統(tǒng)中有10條指令的使用概率為90%，其余為10%，若采用不等長(zhǎng)編碼方式，其操作碼的平均長(zhǎng)度為多少？（3）若原指令系統(tǒng)采有固定長(zhǎng)度編碼，后繼產(chǎn)品中需增加50條指令，試設(shè)計(jì)其指令操作碼，并計(jì)算其平均長(zhǎng)度。

五、指令字長(zhǎng)1、定字長(zhǎng)指令2、變字長(zhǎng)指令指令字長(zhǎng)一定，地址碼較多用較短操作碼，地址碼較少用較長(zhǎng)操作碼。如PDP-11機(jī)指令字長(zhǎng)不同，一般使用頻率高的指令用較短操作碼；使用頻率低的指令用較長(zhǎng)的較長(zhǎng)的操作碼。Pentium機(jī)采用可變長(zhǎng)指令格式，最短的1個(gè)字節(jié)，最長(zhǎng)的有12個(gè)字節(jié)。屬于CISC結(jié)構(gòu)。8086的指令字長(zhǎng)為1~6個(gè)字節(jié)，80486的指令字長(zhǎng)為1~11位。

五、指令字長(zhǎng)3、特點(diǎn)：（1）指令字長(zhǎng)為字節(jié)的整數(shù)倍；（2）指令字長(zhǎng)越長(zhǎng)，指令功能豐富，占用存儲(chǔ)空間多讀取指令時(shí)間長(zhǎng)；練習(xí)：某計(jì)算機(jī)的指令長(zhǎng)度為16位，需設(shè)置二地址、一地址和零地址指令三種，每個(gè)操作數(shù)的地址碼占6位，用操作碼擴(kuò)展的方法設(shè)計(jì)出這三種指令的格式，并指出所設(shè)計(jì)的各種指令的數(shù)目?！?·2尋址方式了解機(jī)器語(yǔ)言的基本概念;

掌握指令格式、指令字長(zhǎng)、尋址方式及指令類型對(duì)指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響；會(huì)根據(jù)指令格式、指令字長(zhǎng)及尋址方式要求設(shè)計(jì)指令的編碼。六、尋址方式在程序的運(yùn)行過(guò)程中，形成指令地址或操作地址的方式。（一）指令的尋址方式1、順序?qū)ぶ贩绞剑撼绦虬雌鋱?zhí)行的先后次序存放在內(nèi)存中，由PC提供要執(zhí)行的指令地址。2、跳躍尋址方式：由程序控制類指令的執(zhí)行而改變?cè)瓉?lái)程序的執(zhí)行順序。（二）操作數(shù)的尋址方式指令中提供操作數(shù)地址（或操作數(shù)）的方法。OP尋址特征MOD形式地址D1、立即尋址：操作數(shù)在指令中。Data=D2、直接尋址：操作數(shù)地址在指令中。EA=DOPMODD（操作數(shù)）OPMODD操作數(shù)D特點(diǎn)：速度快，尋址范圍受D位數(shù)的限制，尋址空間為2D特點(diǎn)：速度快，適用于操作數(shù)固定的場(chǎng)合。3、存儲(chǔ)器間接尋址操作地址在內(nèi)存中，在數(shù)在指令中給出的是操作數(shù)地址的地址。EA=（D）OPMODD操作數(shù)地址EAD操作數(shù)EA特點(diǎn)：速度慢，可擴(kuò)大操作數(shù)的尋址范圍。例：設(shè)指令字長(zhǎng)和存儲(chǔ)字長(zhǎng)均為16位，D=8，問(wèn)直接和間接尋址時(shí)的尋址范圍各為多大？4、寄存器尋址操作數(shù)在寄存器中，在指令中給出寄存器號(hào)。EA=ROPMODＲ操作數(shù)Ｒ5、寄存器間接尋址操作數(shù)地址在寄存器中，在指令中給出寄存器號(hào)。OPMODＲEAＲ操作數(shù)EA寄存器組寄存器組內(nèi)存6、隱含尋址在指令中不指出操作數(shù)的地址，操作數(shù)的地址隱含在操作碼中，此時(shí)操作數(shù)一般隱含于堆?；蚶奂悠髦小Ｌ攸c(diǎn)：可縮短指令字長(zhǎng)。7、基址尋址

操作數(shù)的有效地址EA等于指令中的形式地址D與基址寄存器BR中內(nèi)容相加。OPMODDBRALU操作數(shù)EA內(nèi)存特點(diǎn)：可擴(kuò)大指令對(duì)主存的尋址范圍，可實(shí)現(xiàn)全空間尋址。主要用于為程序和數(shù)據(jù)分配存儲(chǔ)空間，基址寄存器中的內(nèi)容通常由操作系統(tǒng)或管理程序確定。7、變址尋址

操作數(shù)的有效地址EA等于指令字中的形式地址D與變址寄存器IX中內(nèi)容相加。OPMODDIXALU操作數(shù)EA內(nèi)存特點(diǎn)：主要用于處理數(shù)組問(wèn)題。8、相對(duì)尋址

操作數(shù)的有效地址EA等于指令字中的形式地址D與程序計(jì)數(shù)器PC中內(nèi)容相加。EA=（PC）+DOPMODDPCALU操作數(shù)EA內(nèi)存特點(diǎn)：主要用于轉(zhuǎn)移類指令。指令系統(tǒng)中采用不同尋址方式的目的主要是縮短指令長(zhǎng)度，擴(kuò)大尋址空間，提高編程的靈活性。例：一種二地址R-S型（寄存器/存儲(chǔ)器）指令的結(jié)構(gòu)如下所示：OP9通用寄存器4I1X2偏移量D16其中I為間接尋址標(biāo)志位，X為尋址模式字段，D為偏移量字段。通過(guò)I、X、D的組合，可構(gòu)成下表所示的尋址方式，請(qǐng)寫出表中6種尋址方式的名稱。有效地址E算法E=DE=（PC）DE=（R2）DE=（R3）E=（D）E=（R1）D尋址方式名稱說(shuō)明PC程序計(jì)數(shù)器R2為變址寄存器R1為基址寄存器I000110X000110110011+-+-+-（三）Pentium機(jī)的尋址方式尋址方式名稱有效地址E算法說(shuō)明立即寄存器直接基址基址+偏移量比例變址+偏移量基址+變址+偏移量基址+比例變址+偏移量相對(duì)EEEEEEE操作數(shù)在指令中操作數(shù)在寄存器中=DD為偏移量=（B）=（B）+DB為基址寄存器=（I）×S+DI為變址寄存器，S為比例因子=（B）+（I）+D=（B）+（I）×S+D=（PC）+DPC為程序計(jì)數(shù)器1、定長(zhǎng)操作碼編碼方式中操作碼位數(shù)n與指令條數(shù)m有何關(guān)系？2、采用擴(kuò)展操作碼編碼方式時(shí)有哪些注意事項(xiàng)？知識(shí)回顧例：某計(jì)算機(jī)字長(zhǎng)16位，運(yùn)算器16位，有16個(gè)通用寄存器，8種尋址方式，主存容量為64K字，指令中地址碼由尋址方式字段和寄存器字段組成。（1）單、雙操作數(shù)指令最各有多少條？（2）直接尋址范圍有多大？（雙字長(zhǎng)）（3）間接尋址范圍有多大？（單字長(zhǎng)）（4）變址尋址（雙字長(zhǎng)）的范圍有多大？練習(xí)：某機(jī)存儲(chǔ)字長(zhǎng)為32位，共有機(jī)器指令100條，指令單字長(zhǎng)，等長(zhǎng)操作碼，CPU內(nèi)部有通用寄存器32個(gè)，可做變址寄存器用。存儲(chǔ)器按字節(jié)編址，指令擬用直接尋址、間接尋址、變址尋址和相對(duì)尋址4種方式。（1）分別畫出采用4種不同尋址方式的單地址指令的指令格式。（2）采用直接尋址和間接尋址方式時(shí)，可尋址的存儲(chǔ)器空間各是多少？（3）寫出4種方式下，有效地址E的表達(dá)式。七、指令類型1、數(shù)據(jù)傳送類指令2、算術(shù)/邏輯運(yùn)算指令3、程序控制類指令4、輸入/輸出指令5、其他指令八、RISC指令系統(tǒng)和CISC指令系統(tǒng)的特點(diǎn)1、RSIC精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)（1）指令數(shù)目較少，選使用頻度高的簡(jiǎn)單指令。（2）指令長(zhǎng)度固定、指令格式、尋址方式種類少。（3）只有存/取數(shù)指令訪存，其余指令均在寄存器之間進(jìn)行。（4）大部分指令在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)完成，采用流水線技術(shù)。每條指令的平均執(zhí)行時(shí)間小于一個(gè)是時(shí)鐘財(cái)期。（5）CPU中通用寄存器數(shù)量相當(dāng)多。（6）控制器采用組合邏輯控制，不用微程序控制。（7）采用優(yōu)化的編譯程序。（8）指令功能簡(jiǎn)單使得程序代碼較長(zhǎng)，占用較多的存儲(chǔ)空間。如：SPARC機(jī)只有75條指令，3種指令格式，4種尋址方式120~136個(gè)寄存器。MIPSR400094/1/322、CISC復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)的特點(diǎn)（1）指令系統(tǒng)復(fù)雜龐大。（200~300條）（2）尋址方式、指令格式多。（3）指令字長(zhǎng)不固定。（4）可訪存指令多。（5）指令使用頻率、執(zhí)行時(shí)間相差大。（6）采用微程序控制器。Intel80486計(jì)算機(jī)有235條指令，11種尋址方式；Pentuim有191條指令，9種尋址方式。練習(xí)：某機(jī)字長(zhǎng)16位，直接尋址空間為128字，變址時(shí)的位移時(shí)為-64~+64，16個(gè)通用寄存器都可以作為變址寄存器。設(shè)計(jì)一套指令系統(tǒng)，滿足下列尋址類型的要求：（1）直接尋址的二地址指令3條。（2）變址尋址的一地址指令6條。（3）寄存器尋址的二地址指令8條。（4）直接尋址的一地址指令12條。（5）零地址指令32條。2009年考研：1、某機(jī)器字長(zhǎng)16位，主存按字節(jié)編址，轉(zhuǎn)移指令采用相對(duì)尋址，由兩個(gè)字節(jié)組成，第一個(gè)字節(jié)為操作碼字段，第二個(gè)字節(jié)為相對(duì)位移量字段。假定取指令時(shí)，每取一個(gè)字節(jié)PC自動(dòng)加1。若某轉(zhuǎn)移指令所在主存地址為2000H，相對(duì)位移量字段的內(nèi)容為06H，則該轉(zhuǎn)移指令成功轉(zhuǎn)移后的目標(biāo)地址是（）。A.2006HB.2007HC.2008HD.2009H2、下列關(guān)于RISC的敘述中，錯(cuò)誤的是（）。A.RISC普遍采用微程序控制器B.RISC大多數(shù)指令在一個(gè)時(shí)鐘周期內(nèi)完成C.RISC的內(nèi)部通用寄存器數(shù)量相對(duì)CISC多D.RISC的指令數(shù)、尋址方式和指令格式種類相對(duì)CISC少(2010考研）某計(jì)算機(jī)字長(zhǎng)為16位，主存地址空間大小為128KB，按字編址。采用單字長(zhǎng)指令格式，指令各字段定義如下：轉(zhuǎn)移指令采用相尋址方式，相對(duì)偏移量用補(bǔ)碼表示。尋址方式定義如下：(1)該指令系統(tǒng)最多可有多少條指令？該計(jì)算機(jī)最多有多少個(gè)通用寄存器？MAR和MDR各多少們位？(2)轉(zhuǎn)移指令的目標(biāo)地址范圍是多少？(3)若操作碼0010B表示加法操作(add)，寄存器R4和R5的編號(hào)分別為100B和101B，R4的內(nèi)容為1234H，R5的內(nèi)容為5678H，地址1234H中的內(nèi)容為5678H，地址5678H中的內(nèi)容為1234H，則執(zhí)行“add(R4),(R5)+”(逗號(hào)前為源操作數(shù)）對(duì)應(yīng)的機(jī)器碼是什么？哪些寄存器和存儲(chǔ)單元的內(nèi)容會(huì)改變？改變后的內(nèi)容是什么？OP1512MsRs116MdRd50Ms/Md000B001B010B011B尋址方式寄存器直接寄存器間接寄存器間接、自增011B助記符Rn(Rn)(Rn)+D(Rn)含義操作數(shù)＝(Rn)操作數(shù)＝((Rn))操作數(shù)＝((Rn)),(Rn)+1→Rn轉(zhuǎn)移目標(biāo)地址＝（PC）＋（Rn)2010年考研1、下列選項(xiàng)中，能縮短程序執(zhí)行時(shí)間的措施是()Ⅰ.提高CPU時(shí)鐘頻率Ⅱ.優(yōu)化數(shù)據(jù)通路結(jié)構(gòu)Ⅲ.對(duì)程序進(jìn)行編譯優(yōu)化A.僅Ⅰ和ⅡB.僅Ⅰ和ⅢC.僅Ⅱ和ⅢD.Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ2、假定有4個(gè)整數(shù)用8位補(bǔ)碼分別表示為r1=FEH，r2=F2H，r3＝90H，r4＝F8H。若運(yùn)算結(jié)果存放在一個(gè)8位寄存器中，則下列運(yùn)算中會(huì)發(fā)生溢出的是（）。A.r1×r2B.r2×r3C.r1×r4D.r2×r42010年考研3、假定變量I、f和d的數(shù)據(jù)類型分別為int、float和double（int用補(bǔ)碼表示，float和double分別用IEEE754單精度和雙精度浮點(diǎn)數(shù)格式表示），已知i=785，f=1.5678e3，d=1.5e100。若在32位機(jī)器中執(zhí)行下列關(guān)系表達(dá)式，則結(jié)果為“真”的是（）。Ⅰ.i==(int)(float)iⅡ.f==(float)(int)fⅢ.f==(float)(double)fⅣ.(d+f)-d==fA.僅Ⅰ和ⅡB.僅Ⅰ和ⅢC.僅Ⅱ和ⅢD.僅Ⅲ和Ⅳ4、下列寄存器中，匯編語(yǔ)言程序員可見(jiàn)的是（）。A.存儲(chǔ)器地址寄存器（MAR）B.存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)寄存器（MDR）C.程序計(jì)數(shù)器(PC)D.指令寄存器（IR）2010年考研5、不列選項(xiàng)中，不會(huì)引起指令流水線阻塞的是（）。A.數(shù)據(jù)旁路（轉(zhuǎn)發(fā)）B.數(shù)據(jù)相關(guān)C.條件轉(zhuǎn)移D.資源沖突6、下列選項(xiàng)中英文縮寫均為總線標(biāo)準(zhǔn)的是（）。A.PCI、CRT、USB、EISAB.ISA、CPI、VESA、EISAC.ISA、SCSI、RAM、MIPSD.ISA、EISA、PCI、PCI-Express7、單級(jí)中斷系統(tǒng)中，中斷服務(wù)程序內(nèi)的執(zhí)行順序是（）。Ⅰ.保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)Ⅱ.開中斷Ⅲ.關(guān)中斷Ⅳ.保存斷點(diǎn)Ⅴ.中斷事件處理Ⅵ.恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)Ⅶ.中斷返回A.Ⅰ→Ⅴ→Ⅵ

→Ⅱ→ⅦB.Ⅲ→Ⅰ→Ⅴ→ⅦC.Ⅲ→Ⅳ→Ⅴ→

Ⅶ→Ⅵ

D.Ⅳ→Ⅰ→Ⅴ→Ⅵ→Ⅶ2010年考研8、假定一臺(tái)計(jì)算機(jī)的顯示存儲(chǔ)器用DRAM芯片實(shí)現(xiàn)，若要示顯示分辨率為1600×1200，顏色深度為24位，幀頻為85HZ，顯存總帶寬的50%用來(lái)刷新屏幕，則需要的顯存總帶寬至少約為（）。A.245MbpsB.979MbpsC.1958MbpsD.7834Mbps9、下列選項(xiàng)中，操作系統(tǒng)提供應(yīng)用程序的接口是（）。A.系統(tǒng)調(diào)用B.中斷C.庫(kù)函數(shù)D.原語(yǔ)7、單級(jí)中斷系統(tǒng)中，中斷服務(wù)程序內(nèi)的執(zhí)行順序是（）。Ⅰ.保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)Ⅱ.開中斷Ⅲ.關(guān)中斷Ⅳ.保存斷點(diǎn)Ⅴ.中斷事件處理Ⅵ.恢復(fù)現(xiàn)場(chǎng)Ⅶ.中斷返回A.Ⅰ→Ⅴ→Ⅵ→Ⅱ→ⅦB.Ⅲ→Ⅰ→Ⅴ→ⅦC.Ⅲ→Ⅳ→Ⅴ→Ⅶ→ⅥD.Ⅳ→Ⅰ→Ⅴ→Ⅵ→Ⅶ一、填空1、指令的編碼將指令分成（）、（）等字段。2、通常指令編碼的第一個(gè)字段是（）。3、操作數(shù)直接出現(xiàn)在地址碼位置的尋址方式稱為（）尋址。4、寄存器尋址方式中，指令的地址碼位置部分給出的是（），而操作數(shù)在（）。５、直接尋址方式指令中，直接給出（），只需（）一次就可獲得操作數(shù)。６、寄存器間接尋址方式指令中給出的是（）所在的寄存器號(hào)。７、存儲(chǔ)器間接尋址方式指令中給出的是（）所在的存儲(chǔ)器的地址，ＣＰＵ需要訪問(wèn)內(nèi)存（）次才能獲得操作數(shù)。8、變址尋址方式中操作數(shù)的地址由（）與（）的和產(chǎn)生。9、相對(duì)尋址方式中操作數(shù)的地址由（）與（）之和產(chǎn)生。10、只有操作碼而沒(méi)有地址碼的指令稱為（）指令。二、判斷題1、執(zhí)行指令時(shí)，指令在內(nèi)存中地址存放在指令寄存器中。2、沒(méi)有設(shè)置乘、除法指令的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，就不能實(shí)現(xiàn)乘、除法運(yùn)算。3、程序計(jì)數(shù)器PC用來(lái)指令從內(nèi)存中取指令。4、內(nèi)存地址寄存器用來(lái)指示從內(nèi)存中取數(shù)據(jù)。5、計(jì)算機(jī)指令是指揮CPU進(jìn)行操作的命令，指令通常由操作碼和操作數(shù)地址碼組成。6、浮點(diǎn)運(yùn)算指令對(duì)用于科學(xué)計(jì)算的計(jì)算機(jī)是很必要的，可以提高機(jī)器的運(yùn)算速度。7、不設(shè)置浮點(diǎn)運(yùn)算指令的計(jì)算機(jī)，就不能用于科學(xué)計(jì)算。8、擴(kuò)展操作碼是種優(yōu)化技術(shù)，它使操作碼的長(zhǎng)度隨地址碼的減少而增加，不同地址的指令可以具有不同長(zhǎng)度的操作碼。9、RISC沒(méi)有乘、除指令和浮點(diǎn)運(yùn)算指令。10、RISC的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)是減少指令數(shù)、降低軟、硬件開銷。（1）二地址指令三條，直接尋址的空間為128,所以指令中的D=7因?yàn)槎刂分噶钏灾噶罡袷饺缦拢翰僮鞔a編碼為00、01、10（2）變址尋址的一地址指令6條變址時(shí)的位移量為-64~+63需用7位表示位移量的范圍，4位表示通用寄存器尋址，操作碼5位。格式如下：操作碼編碼為11000、1100111010、1