CPU指令系統(tǒng)和控制器部件

第4章指令系統(tǒng)和控制器部件4.1指令系統(tǒng)4.2指令功能及執(zhí)行過(guò)程4.3MIPS指令單周期CPU設(shè)計(jì)4.4MIPS指令多周期CPU設(shè)計(jì)4.5指令流水基本概念重點(diǎn)和難點(diǎn)

單條指令功能的實(shí)現(xiàn)如何設(shè)計(jì)指令的數(shù)據(jù)通路？如何劃分指令的執(zhí)行步驟?如何根據(jù)指令得到控制信號(hào)？

機(jī)器語(yǔ)言程序的自動(dòng)執(zhí)行指令之間如何銜接？

提高性能在不增加太多硬件的情況下如何提高性能？

實(shí)現(xiàn)途徑控制信號(hào)生成：組合邏輯或微程序程序自動(dòng)執(zhí)行：PC、節(jié)拍和下地址指令系統(tǒng)：RISC和CISC提高性能：指令流水?dāng)?shù)據(jù)運(yùn)算部件計(jì)算機(jī)控制部件存儲(chǔ)部件接口線路數(shù)據(jù)輸入設(shè)備接口線路數(shù)據(jù)輸出設(shè)備數(shù)據(jù)總線地址總線控制總線計(jì)算機(jī)主機(jī)

計(jì)算機(jī)外圍設(shè)備計(jì)算機(jī)的CPU計(jì)算機(jī)硬件系統(tǒng)功能部件對(duì)指令的控制：計(jì)算機(jī)的工作過(guò)程是連續(xù)執(zhí)行指令的過(guò)程，控制器應(yīng)能保證動(dòng)態(tài)指令流的形成。對(duì)時(shí)序的控制：產(chǎn)生固定的時(shí)序信號(hào)，以保證全機(jī)各部件有節(jié)奏的工作。對(duì)操作的控制：依據(jù)指令內(nèi)容、指令的執(zhí)行步驟，形成并提供當(dāng)前各部件本時(shí)刻要用到的全部控制信號(hào)?？刂破鞯墓δ苤噶睿?/p>

是指示計(jì)算機(jī)執(zhí)行基本操作的命令。指令也是用戶使用計(jì)算機(jī)的最小功能單位。

從計(jì)算機(jī)組成的層次結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，計(jì)算機(jī)的指令有微指令、機(jī)器指令和宏指令之分。

微指令：是微程序級(jí)的命令，它屬于硬件；宏指令：是由苦干條機(jī)器指令組成的軟件指令，它屬于軟件；

機(jī)器指令：則介于微指令與宏指令之間，通常簡(jiǎn)稱為指令。每一條指令可完成一個(gè)獨(dú)立的算術(shù)運(yùn)算或邏輯運(yùn)算操作。

本章所討論的指令是機(jī)器指令。

指令系統(tǒng)：一臺(tái)計(jì)算機(jī)支持(或稱使用)的全部指令的集合構(gòu)成該計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)。由于指令與計(jì)算機(jī)的性能以及硬件結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，所以不同系列、不同型號(hào)的計(jì)算機(jī)其指令系統(tǒng)是不一樣的。4.1指令系統(tǒng)

指令的基本格式尋址方式

指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求指令系統(tǒng)的發(fā)展oprsrtrdsafuncoprsrtimmediateoptargetMIPS指令格式

(32位)drsrioport/offsetImmediate/address/offsetTh-union指令格式

(16位)op任何一條機(jī)器指令由一組有意義的二進(jìn)制代碼構(gòu)成，稱為一個(gè)指令字。如何把一個(gè)指令字劃分成多個(gè)字段并分配各字段所表示的內(nèi)容大有學(xué)問(wèn)。一、指令的基本格式1.操作碼定長(zhǎng)操作碼變長(zhǎng)操作碼

在指令系統(tǒng)中，每一條指令都有唯一確定的操作碼。分二種形式：a.定長(zhǎng)操作碼形式在指令字中，操作碼字段的位數(shù)和位置是固定的。早期的計(jì)算機(jī)一般采用定長(zhǎng)操作碼的設(shè)計(jì)，控制簡(jiǎn)單，且對(duì)操作碼的譯碼實(shí)現(xiàn)容易。

IBM360/370操作碼是八位的：

00000000～11111111

該指令系統(tǒng)最多可有多少條指令？

Th-union操作碼是八位的：

00000000～11111111

該指令系統(tǒng)最多可有256條指令。

例如：256RR型

OPC

R1R2844RS型

OPC

RnRmBD

844412RX型

OPC

R1X2B2D2844412SI型

OPC

I2B1D284412SS型

OPC

LB1D1B2D28

8

4

12412IBM360/370計(jì)算機(jī)的指令格式Ri：通用寄存器Xi：變址寄存器Bi：基址寄存器Di：位移量I：立即數(shù)L：數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度定長(zhǎng)操作碼的特點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：有利于簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)，提高指令譯碼的速度和指令執(zhí)行的速度。

缺點(diǎn)：限制了指令系統(tǒng)的擴(kuò)充、不利于縮短指令的長(zhǎng)度，存在有很大程度的信息冗余。b.變長(zhǎng)操作碼形式指令系統(tǒng)中，各指令的操作碼字段位數(shù)不等長(zhǎng)。例：PDP-11小型機(jī)的指令系統(tǒng)

其指令長(zhǎng)度為16位，操作碼字段的長(zhǎng)度有４、７、10、13、16等不同的情況。

Mod

Ri

Mod

Rj

OP

四位六位六位

Ri

Mod

Rj

OP（7）

Mod

Rj

OP（10）

Rj

OP（13）

OP（16）為增加操作碼長(zhǎng)度，采用

——

操作碼逐段擴(kuò)展技術(shù)

變長(zhǎng)操作碼的特點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：可方便擴(kuò)充指令系統(tǒng)有利于縮短指令操作碼的平均長(zhǎng)度。

缺點(diǎn)：指令譯碼的控制復(fù)雜，硬件電路復(fù)雜。2.地址碼的設(shè)計(jì)和安排

按照指令中地址碼字段給出的地址的個(gè)數(shù)的不同，無(wú)地址指令（零地址指令）一地址指令（單地址指令）雙地址指令多地址指令有四種情況:Th-union的機(jī)器指令匯編指令

0000000000010010

ADDR1，R20000000110001001

SUBR8，R90000100100110000

INCR31000100000010000MOVR1，0055H0000000001010101a.無(wú)地址指令(零地址指令)有二種情況：

指令不需要任何操作數(shù)。

例：NOP、HALT

操作數(shù)為隱含的，或操作數(shù)地址是默認(rèn)的。例：PUSHF、POPF

操作碼格式:b.一地址指令(單地址指令)操作碼地址碼只有一個(gè)地址碼，用于單操作數(shù)指令。例：INC、SHL、JMP、CALL或者雙操作數(shù)指令，但其中一個(gè)操作數(shù)的地址為默認(rèn)值。

例：MUL、DIV格式:c.雙地址指令

地址碼2

地址碼1

操作碼

地址碼１既是源操作數(shù)的地址，也是目的操作數(shù)的地址。雙操作數(shù)在運(yùn)算類、傳送類指令中使用較多。ADDDR,SR

格式:d.多地址指令

地址碼3

地址碼2

地址碼1

操作碼地址碼4地址碼3地址碼2

地址碼1操作碼特點(diǎn)：操作完成后源操作數(shù)的內(nèi)容不被破壞，用戶編程方便。嚴(yán)重的缺點(diǎn)是指令字較長(zhǎng)。格式１:格式２:3.指令字長(zhǎng)度

機(jī)器指令的二進(jìn)制序列的位數(shù)。

定長(zhǎng)指令變長(zhǎng)操作碼

變長(zhǎng)指令定長(zhǎng)操作碼例1:某機(jī)指令系統(tǒng)，指令字為16位固定長(zhǎng)，要求有３地址指令、２地址指令、１地址指令和０地址指令，每個(gè)地址碼４位。應(yīng)如何設(shè)計(jì)？a.定長(zhǎng)指令變長(zhǎng)操作碼

該種形式是將操作碼的設(shè)計(jì)與地址碼的設(shè)計(jì)作為一個(gè)整體考慮，以形成高效合理的指令編碼。0000

XXXX

XXXX

XXXX～4位操作碼(3地址指令15條)1110

XXXX

XXXX

XXXX8位操作碼～(2地址指令15條)1111

0000

XXXX

XXXX1111

1110

XXXX

XXXX～(1地址指令15條)1111

11110000

XXXX1111

11111110

XXXX12位操作碼～(0地址指令16條)1111

1111111100001111

11111111111116位操作碼設(shè)計(jì)方案

練習(xí)1.指令字長(zhǎng)為12位，每個(gè)地址碼為3位，采用擴(kuò)展操作的方式，設(shè)計(jì)4條三地址指令、16條二地址指令、64條一地址指令和16條零地址指令。

(1)畫出擴(kuò)展圖。

(2)畫出指令譯碼邏輯。

000

××××××××× ┆ ┆

011

×××××××××

100

000 ×××××× ┆┆

101

111

××× ×××110

000

000××× ┆┆

110

111

111

×××111

000

000

000 ┆┆

111

000

001

1114條三地址指令16條二地址指令16條零地址指令64條一地址指令（1）操作碼的擴(kuò)展如下圖所示。練習(xí)2.設(shè)某機(jī)為定長(zhǎng)指令字結(jié)構(gòu)，指令長(zhǎng)度12位，每個(gè)地址碼占３位，試提出一種方案，使該系統(tǒng)包含４條三地址指令，８條二地址指令，60條單地址指令。

000

××××××××× ┆ ┆

011

×××××××××

100

000 ×××××× ┆┆

100

111

××× ×××101

000

000××× ┆┆

101

111

011

×××4條三地址指令8條二地址指令60條一地址指令練習(xí)3.設(shè)某機(jī)為定長(zhǎng)指令字結(jié)構(gòu)，指令長(zhǎng)度12位，每個(gè)地址碼占３位，試提出一種方案，使該系統(tǒng)包含４條三地址指令，８條二地址指令，180條單地址指令。

另問(wèn)：能否構(gòu)成三地址指令４條，單地址指令255條，零地址指令64條呢？

000

××××××××× ┆ ┆

011

×××××××××

100

000 ×××××× ┆┆

100

111

××× ×××101

000

000××× ┆┆

111

110

011

×××4條三地址指令8條二地址指令180條一地址指令

000

×××××××××┆┆

011

×××××××××

100

000

000××× ┆┆

111

111

110

×××111111111000 ┆

111

111

111

111255條一地址指令8條零地址指令4條三地址指令指令字的長(zhǎng)度與機(jī)器字長(zhǎng)沒(méi)有固定的關(guān)系。

b.變長(zhǎng)指令定長(zhǎng)操作碼例：IBM360/370

指令的操作碼是８位的，指令字為16位、32位、48位。

TH-union

指令的操作碼是8位的，指令字為16位.

設(shè)某機(jī)型需設(shè)計(jì)100條指令。試確定以下兩種操作碼設(shè)計(jì)方案的操作碼長(zhǎng)度。1)采用定長(zhǎng)操作碼格式。2)采用擴(kuò)展操作碼法。(設(shè)10℅的指令使用頻度為90℅)思考：

二、尋址方式尋址方式：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)行性能也各不相同。1、指令尋址順序(PC)+1PC跳躍由轉(zhuǎn)移指令指出LDA1000ADD1001DEC1200JMP7LDA2000SUB2001INCSTA2500LDA1100...0123456789PC+1指令地址尋址方式指令地址指令順序?qū)ぶ?順序?qū)ぶ?順序?qū)ぶ?跳躍尋址7順序?qū)ぶ?2、數(shù)據(jù)尋址約定

指令字長(zhǎng)=存儲(chǔ)字長(zhǎng)=機(jī)器字長(zhǎng)形式地址A操作碼尋址特征

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(lái)表示數(shù)據(jù)的來(lái)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(lái)的一個(gè)數(shù)值才是數(shù)據(jù)（或指令）的實(shí)際地址。

運(yùn)算器中寄存器的編號(hào)或?qū)Ｓ眉拇嫫髅Q（編號(hào)）輸入/輸出指令中I/O設(shè)備的輸入輸出端口地址內(nèi)存儲(chǔ)器的一個(gè)存儲(chǔ)單元(或一I/O設(shè)備)的地址在指令的操作數(shù)地址字段，可能要指出：

在計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)中，會(huì)有多種基本尋址方式和某些復(fù)合尋址方式,簡(jiǎn)介如下:1)直接尋址

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。

存儲(chǔ)器地址為操作數(shù)在存儲(chǔ)器中的地址。或轉(zhuǎn)移指令等用到的指令地址。內(nèi)存儲(chǔ)器

操作數(shù)

操作碼

存儲(chǔ)器地址…例：MOVR1，[0800]0000

1000

0000

0000操作碼0001

不用

特點(diǎn)是什么？簡(jiǎn)單直觀，執(zhí)行速度快。編程不靈活，訪問(wèn)空間有限。2)寄存器尋址

操作碼

寄存器編號(hào)…例如：

0000110010001001

SUB

R8，R90111010000110000

INC

R3

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)就在這個(gè)寄存器中，這就是寄存器尋址方式。

執(zhí)行階段不訪存，只訪問(wèn)寄存器，執(zhí)行速度快。

寄存器個(gè)數(shù)有限，可縮短指令字長(zhǎng)。3)間接尋址方式

若寄存器中存放的是操作數(shù)在內(nèi)存中所在單元的地址，這就是寄存器間接尋址方式。a.通過(guò)寄存器的間接尋址方式

ＯＰ

RegNo…寄存器間接尋址示意圖

ＯＰ

0101

…0000000000000111

R50007H

操作數(shù)………000700060008FFFF0000………(1)寄存器尋址與寄存器間接尋址的不同點(diǎn)

操作數(shù)所在位置不同指令執(zhí)行的速度不同思考題(2)設(shè)計(jì)寄存器間接尋址的必要性可有效縮短指令的長(zhǎng)度可方便程序處理的需要b.通過(guò)存儲(chǔ)器的間接尋址方式

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，這被稱為存儲(chǔ)器間接尋址方式。操作數(shù)Addr1特點(diǎn)：比直接尋址靈活，并且可用指令中的短地址訪問(wèn)大的內(nèi)存空間；取操作數(shù)需二次訪問(wèn)主存，降低了指令執(zhí)行的速度。

ＯＰ

Addr…4)基址尋址方式

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(guò)基址寄存器的內(nèi)容和指令中的地址碼相加得到?；芳拇嫫骷臃ㄆ鞑僮鲾?shù)存儲(chǔ)器

ＯＰ

disp…例：disp=18H，[BS]=5700H

則操作數(shù)地址=5718H

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(wèn)題。5)變址尋址方式

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。通用寄存器加法器存儲(chǔ)器

操作數(shù)

ＯＰ

Reg

Disp…例：Disp=18H，Reg=5，R5)=5700H

則操作數(shù)地址=5718H

便于對(duì)數(shù)組元素進(jìn)行處理，此方式是計(jì)算機(jī)中常用的一種尋址方式。6)塊(串)尋址方式

為了對(duì)數(shù)組運(yùn)算提供更好的支持，采用該種尋址方式的指令中，要對(duì)整個(gè)數(shù)組實(shí)現(xiàn)某種運(yùn)算，只需給出數(shù)組的首地址和末地址，這條指令執(zhí)行一次，可對(duì)數(shù)組的全部元素完成某種運(yùn)算操作。此方式是現(xiàn)代計(jì)算機(jī)中廣泛采用的一種尋址方式。7)隱含尋址方式

對(duì)于雙操作數(shù)指令，如果事先約定參與運(yùn)算的一個(gè)操作數(shù)固定存放在某個(gè)寄存器或某個(gè)存儲(chǔ)單元中。指令中不直接給出某個(gè)操作數(shù)的地址，被稱為隱含尋址方式。ADDA操作數(shù)主存尋址特征AACC暫存ALU另一個(gè)操作數(shù)隱含在ACC中如8086MUL指令被乘數(shù)隱含在AX（16位）或AL（8位）中MOVS指令源操作數(shù)的地址隱含在SI中目的操作數(shù)的地址隱含在DI中

指令字中少了一個(gè)地址字段，可縮短指令字長(zhǎng)。8)立即尋址方式所需的一個(gè)操作數(shù)在指令的地址碼部分直接給出。特點(diǎn)：在取指令的同時(shí)取出了操作數(shù)，不必訪問(wèn)主存，提高了指令的執(zhí)行速度;靈活性差。

ＯＰ

Num…

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。例如：disp=48H (PC)=5600H則實(shí)際地址=disp+(PC)=5648H

主要用于轉(zhuǎn)移指令，對(duì)縮短指令長(zhǎng)度很有用。位移量可正可負(fù)，通常用補(bǔ)碼表示。9)相對(duì)尋址方式主存空間2000PCJMP+30現(xiàn)行指令JMPNEXTADDAX，BX………200120012031PC在指令中不指定，是隱含的，所以可以縮短指令長(zhǎng)度。

例題：設(shè)相對(duì)轉(zhuǎn)移指令占兩個(gè)字節(jié)，第一個(gè)字節(jié)是操作碼，其地址是2000H，第二個(gè)字節(jié)是相對(duì)位移量，那么：(PC)=2002H(1)若第二個(gè)字節(jié)的內(nèi)容為06H，則轉(zhuǎn)移到的地址為______。①2008H②2009H③1FFCH④FFBH(2)若轉(zhuǎn)移到的地址為1FFDH，則第二個(gè)字節(jié)的內(nèi)容為_______。①05H②FBH③FDH④FFH

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(guò)一個(gè)專用的寄存器(堆棧指針SP)給出堆棧的棧頂?shù)刂?，完成?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(guò)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)。10)堆棧結(jié)構(gòu)及尋址

如何在指令中表示尋址方式呢？1.用操作碼區(qū)分2.在指令中劃分專用的字段來(lái)說(shuō)明問(wèn)題:下圖所指的尋址方式的名稱是什么？

操作碼操作數(shù)

操作碼

寄存器

操作數(shù)

R

立即尋址寄存器尋址

操作碼

存儲(chǔ)器

指令

操作數(shù)

A

問(wèn)題:下圖所指的尋址方式的名稱是什么？存儲(chǔ)器直接尋址

操作碼

操作數(shù)

A

存儲(chǔ)器

寄存器

R

存儲(chǔ)器

操作碼

操作數(shù)

A＇

A

問(wèn)題:下圖所指的尋址方式的名稱是什么？存儲(chǔ)器間接尋址寄存器間接尋址

操作碼

操作數(shù)

PC

存儲(chǔ)器

A

問(wèn)題:下圖所指的尋址方式是什么？相對(duì)尋址──────────────────────────

尋址方式有效地址EA的計(jì)算公式尋址范圍

立即尋址直接尋址間接尋址變址尋址相對(duì)尋址解：因?yàn)镺P字段長(zhǎng)5位，所以指令能定義25=32種指令。

例：某機(jī)字長(zhǎng)為16位，存儲(chǔ)器按字編址，訪內(nèi)存指令格式如下：

151110870OPMA其中OP是操作碼，M定義尋址方式，A為形式地址。設(shè)PC和Rx分別為程序計(jì)數(shù)器和變址寄存器，字長(zhǎng)16位。（1）該指令能定義多少種指令？（2）表中各種尋址方式的尋址范圍為多少？（3）寫出表中各種尋址方式的有效地址EA的計(jì)算公式。EA=（PC）1個(gè)字，即指令自身EA=A256個(gè)字EA=（A）64K字EA=（Rx）+A64K字EA=（PC）+A256個(gè)字(PC附近)練習(xí)題：某機(jī)字長(zhǎng)16位，內(nèi)存容量為64K字，指令格式為單字長(zhǎng)單地址，其有64條指令，問(wèn)：

1）若只采用直接尋址方式，指令能訪問(wèn)多少內(nèi)存單元？

2）為了擴(kuò)充指令的尋址范圍，可采用直接/間接尋址方式，若只增加一位直接/間接標(biāo)志，指令可尋址范圍為多少？指令直接尋址的范圍為多少？

一個(gè)完善的指令系統(tǒng)應(yīng)滿足如下四方面的要求：

完備性

有效性規(guī)整性兼容性

三、指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求完備性是指用匯編語(yǔ)言編寫各種程序時(shí)，指令系統(tǒng)直接提供的指令足夠使用，而不必用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。完備性要求指令系統(tǒng)豐富、功能齊全、使用方便。有效性是指利用該指令系統(tǒng)所編寫的程序能夠高效率地運(yùn)行。高效率主要表現(xiàn)在程序占據(jù)存儲(chǔ)空間小、執(zhí)行速度快。規(guī)整性包括指令系統(tǒng)的對(duì)稱性、勻齊性、指令格式和數(shù)據(jù)格式的一致性。1.對(duì)稱性是指在指令系統(tǒng)中所有的寄存器和存儲(chǔ)器單元都可同等對(duì)待，所有的指令都可使用各種尋址方式；2.勻齊性是指一種操作性質(zhì)的指令可以支持各種數(shù)據(jù)類型；

3.指令格式和數(shù)據(jù)格式的一致性是指指令長(zhǎng)度和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度有一定的關(guān)系，以方便處理和存取。兼容性

要能做到“向上兼容”，即低檔機(jī)上運(yùn)行的軟件可以在高檔機(jī)上運(yùn)行。要能做到“向后兼容”，即先生產(chǎn)機(jī)器上運(yùn)行的軟件可以在后生產(chǎn)的機(jī)器上運(yùn)行。輸入設(shè)備輸出設(shè)備入出接口和總線外存設(shè)備主存儲(chǔ)器高速緩存控制器運(yùn)算器ADDSUBANDORMVRRSHRRCLOUTSTOREPUSHJUMPJRCCALLRETLOADPOPIN指令的功能分類算術(shù)與邏輯運(yùn)算指令加、減、乘、除、變符