計算機組成原理第4章

第四章、指令系統(tǒng)4.1指令系統(tǒng)的發(fā)展與性能要求4.1.1指令系統(tǒng)的發(fā)展4.1.2對指令系統(tǒng)性能的要求4.1.3低級語言與硬件結(jié)構(gòu)的關(guān)系4.2指令格式4.2.1操作碼4.2.2地址碼4.2.3指令字長度4.2.4指令助記符4.2.5指令格式舉例4.3操作數(shù)類型4.3.1一般的數(shù)據(jù)類型4.3.2Pentium數(shù)據(jù)類型4.3.3PowerPC數(shù)據(jù)類型4.4指令和數(shù)據(jù)的尋址方式4.4.1指令的尋址方式4.4.2操作數(shù)基本尋址方式4.4.3尋址方式舉例4.5典型指令4.5.1指令的分類4.5.2基本指令系統(tǒng)的操作4.5.3精簡指令系統(tǒng)4.1.1、指令系統(tǒng)的發(fā)展一、指令系統(tǒng)基本概念：指令：就是要計算機執(zhí)行某種操作的命令。從計算機組成的層次結(jié)構(gòu)來看，計算機的指令有微指令、機器指令和宏指令之分。微指令是微程序級的命令，它屬于硬件；宏指令：由若干條機器指令組成的軟件指令，它屬于軟件；機器指令：介于微指令與宏指令之間，通常簡稱為指令，每一條指令可完成一個獨立的算術(shù)運算或邏輯運算操作；本章所討論的指令，是機器指令；一臺計算機中所有機器指令的集合，稱為這臺計算機的指令系統(tǒng)。指令系統(tǒng)是表征一臺計算機性能的重要因素，它的格式與功能不僅直接影響到機器的硬件結(jié)構(gòu)，而且也直接影響系統(tǒng)軟件，影響機器的適用范圍；二、指令系統(tǒng)的發(fā)展情況：系列計算機：指令系統(tǒng)和體系結(jié)構(gòu)基本相同的一系列不同型號的計算機；系列機的特點：(1).器件、結(jié)夠、性能等有所差異；(2).老機器指令集是新型機的指令集的子集（軟件兼容）；復(fù)雜指令系統(tǒng)計算機，簡稱CISC。但是如此龐大的指令系統(tǒng)不但使計算機的研制周期變長，難以保證正確性，不易調(diào)試維護，而且由于采用了大量使用頻率很低的復(fù)雜指令而造成硬件資源浪費；精簡指令系統(tǒng)計算機：簡稱RISC，人們又提出了便于VLSI技術(shù)實現(xiàn)的精簡指令系統(tǒng)計算機；4.1.2、對指令系統(tǒng)性能的要求完備性：完備性是指用匯編語言編寫各種程序時，指令系統(tǒng)直接提供的指令足夠使用，而不必用軟件來實現(xiàn)。完備性要求指令系統(tǒng)豐富、功能齊全、使用方便。一臺計算機中最基本、必不可少的指令是不多的。許多指令可用最基本的指令編程來實現(xiàn)。例如，乘除運算指令、浮點運算指令可直接用硬件來實現(xiàn)，也可用基本指令編寫的程序來實現(xiàn)。采用硬件指令的目的是提高程序執(zhí)行速度，便于用戶編寫程序。有效性：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行。高效率主要表現(xiàn)在程序占據(jù)存儲空間小、執(zhí)行速度快。一般來說，一個功能更強、更完善的指令系統(tǒng)，必定有更好的有效性。規(guī)整性：規(guī)整性包括指令系統(tǒng)的對稱性、勻齊性、指令格式和數(shù)據(jù)格式的一致性。對稱性是指：在指令系統(tǒng)中所有的寄存器和存儲器單元都可同等對待，所有的指令都可使用各種尋址方式；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，如算術(shù)運算指令可支持字節(jié)、字、雙字整數(shù)的運算，十進制數(shù)運算和單、雙精度浮點數(shù)運算等；指令格式和數(shù)據(jù)格式的一致性是指：指令長度和數(shù)據(jù)長度有一定的關(guān)系，以方便處理和存取。例如指令長度和數(shù)據(jù)長度通常是字節(jié)長度的整數(shù)倍。兼容性：系列機各機種之間具有相同的基本結(jié)構(gòu)和共同的基本指令集，因而指令系統(tǒng)是兼容的，即各機種上基本軟件可以通用。但由于不同機種推出的時間不同，在結(jié)構(gòu)和性能上有差異，做到所有軟件都完全兼容是不可能的，只能做到“向上兼容”，即低檔機上運行的軟件可以在高檔機上運行。4.1.3、低級語言與硬件結(jié)構(gòu)的關(guān)系表4.1、高級語言和低級語言的比較比較內(nèi)容高級語言低級語言1對程序員的訓練要求：(1)、通用算法(2)、語言規(guī)則(3)、硬件知識有

較少

不要有

較少不要2對機器獨立的程度獨立不獨立3編制程序的難易程度易難4編制程序所需時間短較長5程序執(zhí)行時間較長短6編譯過程中對計算機資源的要求多少注意：(1)、任何時候機器能夠直接識別和執(zhí)行的唯一語言是二進制機器語言；(2)、機器不同，則指令不同；所以匯編語言程序不能移植到別的機器中執(zhí)行；4.2、指令格式指令格式包括兩個方面：機器字→CPU一次能夠直接處理的所有二進制數(shù)位；指令字(簡稱“指令”)→表示一條指令的若干個機器字；4.2.1、操作碼設(shè)計計算機時，對指令系統(tǒng)的每一條指令都要規(guī)定一個操作碼。指令的操作碼OP表示該指令應(yīng)進行什么性質(zhì)的操作，如進行加、減、乘、除、取數(shù)、存數(shù)等。不同的指令用操作碼字段的不同編碼來表示，每一種編碼代表一種指令。比如：若機器指令只有8條，則可用000、001、┉、111表示8條指令的操作碼；顯然：n位操作碼最多可表示2n條指令；組成操作碼字段的位數(shù)一般取決于計算機指令系統(tǒng)的規(guī)模。指令的操作碼和地址碼長度都可以固定不變，也都可不固定，據(jù)此將指令系統(tǒng)分為：(1).固定長度的代碼：所有指令操作碼長度相同（指令規(guī)整，譯碼簡單，擴展不方便）例如IBM370機,該機字長32位，16個通用寄存器R0～R15，共有183條指令；指令的長度可以分為16位、32位和48位等幾種，所有指令的操作碼都是8位固定長度。固定長度編碼的主要缺點是：信息的冗余極大，使程序的總長度增加。(2).可變長度的代碼：指令操作碼長度不同（指令不規(guī)整，譯碼復(fù)雜，擴展方便）能夠縮短指令操作碼的平均長度例：設(shè)某臺計算機有100條指令，要求：

1.采用固定長度操作碼編碼，試設(shè)計其操作碼編碼。

2.假設(shè)這100條指令有10條指令的使用概率是90%，其余90條指令的使用概率是10%，試采用不等長編碼設(shè)計一種操作碼編碼方案，并求出操作碼的平均長度。

解：

1.采用固定長度操作碼編碼，需要7位操作碼。取其中100個代碼作為操作碼。

000,000~110,0011之間的代碼代表100條指令。（長度固定為7）

其余的110,0100~111,1111共28個代碼可用于增加新的指令。解：

2.采用不固定長度操作碼編碼，可以用4位代碼對10條指令進行編碼，用8位代碼對90條指令進行編碼。

0000~1001對應(yīng)10條指令，1010~1111之間的代碼擴展4位，即1010,0000~1111,1001之間的90個代碼表示其余的90個條指令。1010,0000~1010,1111：代表16個操作碼

1011,0000~1011,1111：代表16個操作碼

1100,0000~1100,1111：代表16個操作碼

1101,0000~1101,1111：代表16個操作碼

1110,0000~1110,1111：代表16個操作碼

1111,0000~1111,1001：代表10個操作碼

指令操作碼的平均長度為：

4*90%+8*10%=4.4小于等長編碼的7位

剩余的編碼1111,1010~1111,1111（6個），通過增加操作碼長度可以進一步擴展。4.2.2、地址碼一條指令中有幾個操作數(shù)地址，稱該指令為幾操作數(shù)指令或幾地址指令。三地址指令操作碼(4位)Ａ1(6位)Ａ2(6位)A3(6位)二地址指令操作碼(4位)Ａ1(6位)Ａ2(6位)單地址指令操作碼(4位)Ａ1(6位)零地址指令操作碼(4位)三地址指令指令格式為： 操作碼OP，被操作數(shù)地址(源操作數(shù)地址)A1，操作數(shù)A2，操作結(jié)果A3；注意：Ai可以是內(nèi)存地址，也可以是通用寄存器地址；功能描述：(A1)OP(A2)→A3(PC)+1→PCOPA1A2A34.2.2、地址碼二地址指令指令格式： 操作碼OP，第一操作數(shù)A1，第二操作數(shù)A2，結(jié)果A1；功能描述：(A1)OP(A2)→A1(PC)+1→PC二地址指令在計算機中得到了廣泛的應(yīng)用，但是在使用時有一點必須注意：指令執(zhí)行之后，A1中原存的內(nèi)容已經(jīng)被新的運算結(jié)果替換了。二地址地址根據(jù)操作數(shù)的物理位置分為以下三種類型：SS存儲器-存儲器類型；RS寄存器-存儲器類型；RR寄存器-寄存器類型；OPA1A24.2.2、地址碼一地址指令指令格式： 操作碼OP，第一操作數(shù)A1；功能描述：(AC)OP(A1)→A1或OP(A1)→A1(PC)+1→PC單操作數(shù)運算指令，如“+1”、“-1”、“求反”等;指令中給出一個源操作數(shù)的地址；零地址指令其格式為：操作碼OP“停機”、“空操作”、“清除”等控制類指令；OPA1OP4.2.3、指令字長度基本概念：機器字長度→計算機能直接處理的二進制數(shù)據(jù)的位數(shù)；指令字長度→一個指令字包含二進制代碼的位數(shù)，一般用多少個機器字長度表示；單字長指令→一個機器字存儲一條完整的指令；半字長指令→半個機器字即可存儲一條完整的指令；雙字長指令→兩個機器字才能存儲一條完整的指令；多字長指令的優(yōu)缺點：優(yōu)點→提供足夠的地址位來解決訪問內(nèi)存任何單元的尋址問題；缺點→必須兩次或多次訪問內(nèi)存以取出一整條指令，降低了CPU的運算速度，又占用了更多的存儲空間；指令系統(tǒng)中指令采用等長指令的特點：a).各種指令字長度是相等的，且指令字長度是不變的；b).指令字結(jié)構(gòu)簡單，控制簡單；c).浪費存儲空間；采用變長指令的的特點：a).各種指令字長度隨指令功能而異，且指令字長度是可變；b).結(jié)構(gòu)靈活，能充分利用指令長度，但指令的控制較復(fù)雜；c).節(jié)省存儲空間；4.2.4、指令助記符由于硬件只能識別1和0，所以采用二進制操作碼是必要的，但是我們用二進制來書寫程序卻非常麻煩。為了便于書寫和閱讀程序，每條指令通常用3個或4個英文縮寫字母來表示。這種縮寫碼叫做指令助記符：用3～4個英文字母來表示操作碼，一般為英文縮寫不同的計算機系統(tǒng)，規(guī)定不一樣必須用匯編語言翻譯成二進制代碼4.2.5、指令格式舉例8位微型計算機的指令格式：如8088，字長8位，指令結(jié)構(gòu)可變；包括單字長指令、雙字長指令和三字長指令；操作碼長度固定；PDP/11系列機的指令格式：字長16位；單字長指令；操作碼字段不固定；Pentium指令格式指令長度可變，最短1個字節(jié)，最長12個字節(jié)，典型的CISC指令系統(tǒng);由可選前綴(0~4字節(jié))、操作碼(1~2字節(jié))、一個由mod-R/M字節(jié)和一個SIB（ScaleIndexBase）比例變址字節(jié)組成的地址指定器、一個可選的位移量(0~4字節(jié))和一個可選的立即數(shù)字段(0~4字節(jié))構(gòu)成。4.2.5、指令格式舉例Pentium指令格式(1).指令前綴→LOCK(鎖定)前綴用于多個CPU環(huán)境對共享存儲器的排他性訪問；重復(fù)前綴指定串的重復(fù)操作，這樣使Pentium處理串比軟循環(huán)快得多；(2).段取代前綴→用于改變默認段寄存器的情況；(3).操作數(shù)長度取代前綴→用于在保護模式下決定操作數(shù)的默認長度；(4).地址長度取代前綴→用于在保護模式下決定地址的默認長度；(5).Mod-R/M字段→規(guī)定存儲器操作數(shù)的尋址方式，或給出寄存器操作數(shù)的寄存器地址號；(6).SIB字段→比例系數(shù)S、變址寄存器號I、基址寄存器號B組成，和Mod-R/M字段一起完整說明存儲器操作數(shù)尋址方式；4.2.5、指令格式舉例[例1]：分析以下指令格式的特點：解：(1).單字長二地址指令；(2).操作碼字段可指定27=128條指令；(3).源操作數(shù)和目的操作數(shù)均在寄存器中，均可指定16個寄存器；(4).是RR指令，常用于算術(shù)邏輯運算內(nèi)指令；1597430OP——源寄存器目的寄存器[例2]：分析以下指令格式的特點：15107430OP——源寄存器變址寄存器16位位移量解：(1).雙字長二地址指令，用于訪問存儲器；(2).操作碼字段可指定26=64條指令；(3).一個操作數(shù)在源寄存器中(可指定16個寄存器)，另一個操作數(shù)在存儲器中(由變址寄存器和位移量決定內(nèi)存地址)；(4).是RS型指令；4.3.1、一般的數(shù)據(jù)類型地址數(shù)據(jù):地址實際上也是一種形式的數(shù)據(jù)。數(shù)值數(shù)據(jù):計算機中普遍使用的三種類型的數(shù)值數(shù)據(jù)。字符數(shù)據(jù):文本數(shù)據(jù)或字符串，目前廣泛使用ASCII碼。邏輯數(shù)據(jù):一個單元中有幾位二進制bit項組成，每個bit的值可以是1或0。當數(shù)據(jù)以這種方式看待時，稱為邏輯性數(shù)據(jù)。4.3.2Pentium數(shù)據(jù)類型數(shù)據(jù)類型說明常規(guī)字節(jié)、字(16位)、雙字(32位)和四字(64位)，可位于任意存儲位置整數(shù)字節(jié)、字、雙字和四字中的有符號二進制值，使用2的補碼表示法序數(shù)字節(jié)、字、雙字和四字中的無符號整數(shù)未壓縮的BCD范圍0～9的BCD數(shù)字表示，每個字節(jié)一個數(shù)字壓縮的BCD每個字節(jié)表示兩個BCD數(shù)字，值是0～99近指針表示段內(nèi)偏移的32位有效地址，用于不分段存儲器中的所有指針和分段存儲器中的段內(nèi)訪問位串一個連續(xù)的位序列，每位位置都認為都認為是一個獨立的單位，能以任何字節(jié)的位置開始一個位串，位串最長可有(232-1)位字符串一個連續(xù)的字節(jié)、字或雙字的序列，最長可有(232-1)B浮點數(shù)單精度(32位)、雙精度(64位)、擴展雙精度(80位)4.3.3、PowerPC數(shù)據(jù)類型無符號字節(jié)無符號半字有符號半字無符號字有符號字無符號雙字字節(jié)串浮點數(shù)4.4.1、指令的尋址方式1、順序方式2、跳躍方式4.4.2、操作數(shù)基本尋址方式形成操作數(shù)有效地址的方法，稱為尋址方式。例如：一種單地址指令的結(jié)構(gòu)如下：操作碼OP、變址X、間址I、形式地址A(偏移量)4.4.2、操作數(shù)基本尋址方式形成操作數(shù)有效地址的方法，稱為尋址方式。例如：一種單地址指令的結(jié)構(gòu)如下：操作碼OP、變址X、間址I、形式地址A1、隱含尋址指令中隱含著操作數(shù)的地址；如某些運算，隱含了累加器AC作為源和目的寄存器；如8086匯編中的STC指令，設(shè)置標志寄存器的C為1；2、立即尋址立即尋址是一種特殊的尋址方式，指令中在操作碼字段后面的部分不是通常意義上的操作數(shù)地址，而是操作數(shù)本身，也就是說數(shù)據(jù)就包含在指令中，只要取出指令，就取出了可以立即使用的操作數(shù)，因此，這樣的操作數(shù)被稱為立即數(shù)；指令格式：操作碼OP操作數(shù)A；4.4.2、操作數(shù)基本尋址方式3、直接尋址指令中地址碼字段給出的地址A就是操作數(shù)的有效地址EA(EffectiveAddress),即EA=A;4、間接尋址間接尋址意味著指令的地址碼部分給出的地址A不是操作數(shù)的地址，而是存放操作數(shù)地址的主存單元的地址，簡稱操作數(shù)地址的地址。操作數(shù)的有效地址的計算公式為：EA=(A);注意：若在指令中設(shè)置尋址特征位I表明是直接尋址還是間接尋址，則直接尋址和間接尋址的指令可合為下列形式：I=0直接尋址；I=1間接尋址；操作碼IA4.4.2、操作數(shù)基本尋址方式5、寄存器尋址在指令的地址碼部分給出CPU內(nèi)某一通用寄存器的編號，指令的操作數(shù)存放在相應(yīng)的寄存器中，即EA=Ri;優(yōu)點：(1)由于寄存器在CPU的內(nèi)部，指令在執(zhí)行時從寄存器中取操作數(shù)比訪問主存要快得多；(2)由于寄存器的數(shù)量較少，因此寄存器編號所占位數(shù)也較少，從而可以有效減少指令的地址碼字段的長度。4.4.2、操作數(shù)基本尋址方式6、寄存器間接尋址為了克服間接尋址中多次訪存的缺點，可采用寄存器間接尋址，即將操作數(shù)放在主存儲器中，而操作數(shù)的地址放在某一通用寄存器中，然后在指令的地址碼部分給出該通用寄存器的編號，這時有EA=(Ri)這種尋址方式的指令較短，并且在取指后只需一次訪存便可得到操作數(shù)，因此指令執(zhí)行速度較前述的間接尋址方式要快，也是目前在計算機中使用較為廣泛的一種尋址方式。4.4.2、操作數(shù)基本尋址方式7、偏移尋址偏移尋址主要有：相對尋址、基址尋址、變址尋址相對尋址：由程序計數(shù)器PC提供基準地址，而指令的地址碼部分給出相對的位移量D，兩者相加后作為操作數(shù)的有效地址;即：EA＝(PC)＋D。4.4.2、操作數(shù)基本尋址方式7、偏移尋址基址尋址：基址寄存器的位數(shù)可以設(shè)置得很長，從而可以在較大的存儲空間中尋址。4.4.2、操作數(shù)基本尋址方式7、偏移尋址變址尋址：就是將指令的地址碼部分給出的基準地址A與CPU內(nèi)某特定的變址寄存器Rx中的內(nèi)容相加，以形成操作數(shù)的有效地址；8、段尋址方式存儲空間劃分為多個段，分寄存器堆棧、存儲器堆棧，以先進后出原理存儲數(shù)據(jù)；4.4.3、尋址方式舉例Pentium的尋址方式：4.4.3、尋址方式舉例[例4]某16位機器所使用的指令格式和尋址方式如下所示，該機有兩個20位基址寄存器，四個16位變址寄存器，十六個16位通用寄存器。指令匯編格式中的S（源），D（目標）都是通用寄存器，M是主存中的一個單元。三種指令的操作碼分別是:MOV(OP)=(A)H,STO(OP)=(1B)H,LAD(OP)=(3C)H。MOV是傳送指令，STO為存數(shù)指令，LAD為取數(shù)指令。要求：（1）分析三種指令的指令格式與尋址方式特點。（2）CPU完成哪一種操作所花時間最短?哪一種操作所花時間最長?第二種指令的執(zhí)行時間有時會等于第三種指令的執(zhí)行時間嗎?（3）下列情況下每個十六進制指令字分別代表什么操作?其中如果有編碼不正確，如何改正才能成為合法指令?①.(F0F1)H(3CD2)H②.(2856)H③.(6FD6)H④.(1C2)H4.4.3、尋址方式舉例解：（1）第一種指令是單字長二地址指令,RR型；第二種指令是雙字長二地址指令,RS型，其中S采用基址尋址或變址尋址，R由源寄存器決定；第三種指令是雙字長二地址指令,RS型，其中S由20位地址（直接尋址）決定，R由目標寄存器決定；（2）第一種指令執(zhí)行時間最短（不訪存）；第二種指令執(zhí)行時間最長（訪存，尋址計算）；第三種指令執(zhí)行時間居中（訪存）；（3）已知：MOV（OP）=001010，STO（OP）=011011，LAD（OP）=111100；指令轉(zhuǎn)化為二進制如下：①.（F0F1）H（3CD2）H→111100001111

00010011110011010010

3C

15號寄存器

13CD2

功能是把主存13CD2的內(nèi)存裝載到15號寄存器；②.（2856）H→代表MOV指令,功能是把6號源寄存器內(nèi)容傳送到5號目標寄存器；③.（6FD6）H→是單字長指令,是MOV指令,此編碼錯誤,可更正為（28D6）H；④.（1C2）H→是單字長指令,是MOV指令,此編碼錯誤,可更正為（28C2）H；4.4.3、尋址方式舉例[作業(yè)8].某機器字長32位，主存容量1M，單字長指令，有50種操作碼，采用寄存器尋址、寄存器間接尋址、立即尋址和直接尋址，CPU中有PC、IR、AR、DR和16個通用寄存器，問：(1)指令格式如何安排？(2)能否增加其它尋址方式？[解]：(1)50種操作碼占6位(26=64)，4種尋址方式占2位X=00→寄存器尋址方式，D字段僅使用4bit選擇16個通用寄存器；X=01→寄存器間接尋址方式，D字段僅使用4bit選擇16個通用寄存器，EA=(RX)X=10→立即尋址方式，D字段給出24位立即數(shù)；X=11→直接尋址方式，D字段可給出24位內(nèi)存地址(但只用20位)；(2)尋址模式字段X可變?yōu)?位，從而可支持更多的尋址方式。由于CPU中給定的寄存器中尚可使用PC，故可增加相對尋址方式，其有效地址EA=PC+D，如不用相對尋址，還可使用間接尋址，此時有效地址EA=（D）。OP(6)X(2)D(24)例：假設(shè)寄存器R中的數(shù)值為1000，地址為1000的存儲器中存儲的數(shù)據(jù)為2000，地址為2000的存儲器中存儲的數(shù)據(jù)為3000，PC的值為4000。問在以下尋址方式下訪問的指令操作數(shù)的值是什么？

1.寄存器尋址R

2.寄存器間接尋址（R）

3.直接尋址1000

4.存儲器間接尋址（1000）

5.相對尋址-2000（PC）

6.立即數(shù)尋址#2000

解：1.1000

2.2000

3.2000

4.3000

5.3000

6.20004.5、典型指令4.5.1、指令的分類1、數(shù)據(jù)傳送類指令一般傳送指令：MOVAX，BX數(shù)據(jù)交換指令：XCHG堆棧操作指令：PUSH，POP2、運算類指令算術(shù)運算指令：加、減、乘、除以及加1、減1、比較邏輯運算指令：移位指令3、程序控制類指令

程序控制類指令用于控制程序的執(zhí)行方向，并使程序具有測試、分析與判斷的能力。4、輸入和輸出指令5、字符串處理指令6、特權(quán)指令7、其他指令4.5.2、基本指令系統(tǒng)的操作20%和80%規(guī)律：CISC中大約有20%的指令使用頻率高，占據(jù)了80%的處理