第6章指令系統(tǒng)-2

第6章指令系統(tǒng)6.1指令格式 6.2尋址方式6.3指令類型 6.4指令系統(tǒng)概述6.5指令系統(tǒng)舉例

6.6指令系統(tǒng)的發(fā)展

本章小結(jié)作業(yè)16.4指令系統(tǒng)概述6.4.1、指令系統(tǒng)的要求

1、完備性：指指令系統(tǒng)直接提供的指令足夠使用，而不必用軟件來實現(xiàn)。2、有效性：是指利用該指令系統(tǒng)所編寫的程序能夠高效地運行。程序占據(jù)存儲空間小、執(zhí)行速度快。3、規(guī)整性：對稱性：所有的指令都可使用各種尋址方式；勻齊性：指令可以支持各種數(shù)據(jù)類型；指令格式和數(shù)據(jù)格式的一致性：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。4、兼容性：“向上兼容”，即低檔機(jī)上運行的軟件可以在高檔機(jī)上運行。

26.4.2指令系統(tǒng)的發(fā)展“復(fù)雜指令系統(tǒng)計算機(jī)”，簡稱CISC（ComplexInstructionSetComputer）指令格式不固定，尋址方式豐富，功能復(fù)雜；一些比較簡單的指令，在程序中僅占指令系統(tǒng)中指令總數(shù)的20%，但出現(xiàn)的頻率卻占80%；占指令總數(shù)20%的最復(fù)雜的指令，卻占用了控制存儲器容量的80%，且使用頻率卻不高。3精簡指令系統(tǒng)計算機(jī)（ReducedInstructionSetComputer，簡稱RISC）RISC體系結(jié)構(gòu)的芯片經(jīng)歷了三代：第一代以32位數(shù)據(jù)通路為代表，支持Cache,軟件支持較少，性能與CISC體系結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品相當(dāng)，如RISCⅠ、MIPS、IBM801等。第二代產(chǎn)品提高了集成度，增加了對多處理機(jī)系統(tǒng)的支持，提高了時鐘頻率，建立了完善的存儲管理體系，軟件支持系統(tǒng)也逐漸完善。它們已具有單指令流水線，可同時執(zhí)行多條指令。第三代RISC產(chǎn)品為64位微處理器，采用了超級流水線技術(shù)和超標(biāo)量技術(shù)，提高了指令級的并行處理能力，使RISC處理器的整體性能更好。如MIPS的R4000處理器。46.4.3CISC特點早期CISC指令系統(tǒng)的主要特點是：指令系統(tǒng)復(fù)雜。具體表現(xiàn)為指令條數(shù)多、尋址方式多、指令格式多。指令串行執(zhí)行，大多數(shù)指令需要多個時鐘周期完成。采用微程序控制，因為微程序控制器適合于實現(xiàn)CISC指令執(zhí)行過程的控制。有較多的專用寄存器，大部分運算所需的數(shù)據(jù)均需訪問存儲器獲取。編譯程序難以用優(yōu)化措施生成高效的目標(biāo)代碼程序。5CISC主要在以下方面來增強(qiáng)指令的功能：面向目標(biāo)程序增強(qiáng)指令功能具體方法有：提高運算類指令的功能提高傳送類指令的功能增強(qiáng)程序控制指令功能面向編譯程序目標(biāo)代碼生成優(yōu)化的改進(jìn)提供面向操作系統(tǒng)優(yōu)化的指令6大部分RISC機(jī)具有以下特點：（1）指令系統(tǒng)設(shè)計時選擇一些使用頻率較高的簡單指令，且選擇一些很有用但不復(fù)雜的指令。（2）指令長度固定，指令格式種類少，尋址方式種類少。（3）只有取數(shù)/存數(shù)指令訪問存儲器，其余指令的操作都在寄存器之間進(jìn)行。6.4.4RISC的特點7（4）采用流水線技術(shù)。超級標(biāo)量及超級流水線技術(shù)，增加了指令執(zhí)行的并行度，使得一條指令的平均指令執(zhí)行時間小于一個機(jī)器周期。（5）CPU中通用寄存器數(shù)量相當(dāng)多，可以減少訪存次數(shù)。（6）以硬布線控制邏輯為主，不用或少用微碼控制。（7）采用優(yōu)化的編譯程序，力求有效地支持高級語言程序。

8（1）可以充分利用VLSI芯片面積（2）可以提高計算機(jī)運算速度指令數(shù)、尋址方式和指令格式的種類都較少，且指令的編碼很有規(guī)律，使指令譯碼加快。在簡化指令的情況下，硬布線連接比微程序控制的延遲小，可縮短CPU的周期。CPU的通用寄存器多，減少了訪存次數(shù)，加快了速度大部分指令能在一個周期內(nèi)完成，特別適合于流水線工作。有的RISC機(jī)采用寄存器窗口重疊技術(shù)，程序嵌套時不必將寄存器內(nèi)容保存到存儲器中，加快了速度。同CISC比較，RISC的優(yōu)點9（3）設(shè)計容易，可降低成本，提高可靠性。（4）能有效支持高級語言程序RISC靠編譯程序的優(yōu)化來支持高級語言程序。指令少，尋址方式少，反而使編譯程序容易選擇更有效的指令和尋址方式。通用寄存器多，可盡量安排快速的寄存器操作，使編譯程序的代碼優(yōu)化效率較高。有的RISC機(jī)采用寄存器窗口重疊技術(shù)，使過程間的參數(shù)傳送快，且不必保存與恢復(fù)現(xiàn)場，因而能直接支持調(diào)用子程序和過程的高級語言程序。在編譯時盡量做好程序優(yōu)化工作，而減少程序執(zhí)行時間106.5指令系統(tǒng)舉例一、Pentium指令系統(tǒng)

二、模型機(jī)上8位字長的指令系統(tǒng)設(shè)計11一、Pentium指令系統(tǒng)

1、指令類型（1）算術(shù)邏輯操作指令（2）串操作/轉(zhuǎn)移控制指令（3）標(biāo)志控制/高級語言支持指令（4）數(shù)據(jù)傳送指令（5）系統(tǒng)控制/段寄存器操作指令（6）保護(hù)/CACHE管理指令2、Pentium的指令格式12主要由兩部分組成：指令前綴，指令本身。指令前綴為可選。13二、模型機(jī)上8位字長的指令系統(tǒng)設(shè)計1、模型機(jī)指令格式2、模型機(jī)尋址方式3、模型機(jī)指令系統(tǒng)設(shè)計141、模型機(jī)指令格式

格式1：一般指令格式I7I6I5I4I3I2I1I0OPSRDRDATA/ADDR/DISP/XSR：源寄存器號，2位，用于對4個通用寄存器R0、R1、R2、R3的選擇，其內(nèi)容送總線，作為源操作數(shù)之一。DR：目的寄存器號，2位，用于對4個通用寄存器R0、R1、R2、R3的選擇，其內(nèi)容可送總線，也可以從總線上接收數(shù)據(jù)，通常作為目的操作數(shù)。DATA/ADDR/DISP/X：指令的第二個字（可有可無），其含義也可以由用戶自定義，可以是立即數(shù)，可以是直接/間接地址，也可以是其它尋址方式用到的地址信息，如相對偏移量、形式地址等等。OP：指令操作碼，4位，用于對16條機(jī)器指令進(jìn)行編碼，是識別指令的標(biāo)志。15格式2：帶尋址方式碼的指令格式OP1：第一指令操作碼，

2位，是帶尋址方式碼的指令（4條）的特征位（即用這兩位來指明本條指令是一個帶尋址方式的指令）MOD：尋址方式碼，2位，用于對4種尋址方式的編碼，至于4種尋址方式的定義，可以自行設(shè)計，例如：可設(shè)計為直接、間接、變址、相對尋址。OP2：第二指令操作碼，2位，是4條帶尋址方式碼的指令本身的編碼。DR：同格式一。ADDR/DISP/X：指令的第二個字，為尋址方式中所用到的直接/間接地址ADDR，或者是相對尋址的偏移量DISP，或者是變址尋址的形式地址XI7I6I5I4I3I2I1I0OP1MODOP2DRADDR/DISP/X16格式3：三字指令

I7I6I5I4I3I2I1I0OP1MODOP2DRADDR/DISP/X1DATA/ADDR/DISP/X2指令包含三字：指令第一字：包含操作碼、尋址方式、寄存器號指令第二字和第三字：為尋址方式中所用到的直接/間接地址ADDR，或者是相對尋址的偏移量DISP，或者是變址尋址的形式地址X，也可以是立即數(shù)DATA雙存儲器操作數(shù)的指令：即指令的兩個操作數(shù)均在存儲器內(nèi)。其余同格式2。

I7I6I5I4I3I2I1I0OPSRDRADDR/DISP/X1DATA/ADDR/DISP/X217格式4：操作碼擴(kuò)展指令格式

OP——指令操作碼，4位，是單寄存器地址指令（16條）的操作碼，和I7I6（11）結(jié)合來表示指令。I7I6I5I4I3I2I1I011OPDRDATA/ADDR/DISP/XSR/DR同上。ADDR/DISP/X—指令的第二個字（可有可無），為尋址方式中所用到的立即數(shù)DATA、直接/間接地址ADDR，或者是相對尋址的偏移量DISP，或者是變址尋址的形式地址X。I7I6I5I4I3I2I1I011OPDRDATA/ADDR/DISP/XDATA/ADDR/DISP/X182、模型機(jī)尋址方式模型機(jī)的指令系統(tǒng)，可實現(xiàn)：寄存器直接、寄存器間接、直接、間接、相對、變址、立即數(shù)7種基本尋址方式。任何一種尋址方式，均可以直接由指令操作碼隱含指定。也可以用指令中的MOD字段來指定四種尋址方式（比如如寄存器直接、寄存器間接、相對、變址尋址方式）。用戶也可以根據(jù)需要，自行設(shè)計一些特殊的尋址方式，例如相對SR的偏移量尋址方法，即EA=（SR）+ADDR。19帶尋址方式MOD的指令格式（格式2）對于指令格式2，假設(shè)定義：MOD=00：直接尋址，則有效地址EA=ADDR，操作數(shù)=（ADDR）；MOD=01：間接尋址，則有效地址EA=（ADDR），操作數(shù)=（（ADDR））；MOD=10：變址尋址，則有效地址EA=（SI）+X，操作數(shù)=（（SI）+X）；其中SI為變址寄存器，隱含為R2；MOD=11：相對尋址，則有效地址EA=（PC）+DISP，操作數(shù)=（（PC）+DISP）；20指令設(shè)計原則指令的格式必須按照規(guī)定的格式設(shè)計，即操作碼OP、源寄存器號SR、目的寄存器號DR必須按格式規(guī)定固定長度和位置，若按照格式2設(shè)計指令，則操作碼OP分為兩段。尋址方式的設(shè)計，可以根據(jù)需要，或由MOD字段定義，或由操作碼隱含指定。指令類型及功能的設(shè)計，只需滿足程序設(shè)計的要求和需求即可。指令操作碼的分配設(shè)計，要注意規(guī)整性。模型機(jī)指令設(shè)計舉例1模型機(jī)指令設(shè)計舉例2測試題3、模型機(jī)指令系統(tǒng)設(shè)計21指令系統(tǒng)1舉例不用專門的MOD字段指出尋址方式，尋址方式由指令碼定義。0000**RdDATA1.MOV1#DATA,Rd;

DATA

Rd2.MOV2Rs,[Addr]; (Rs)

Addr0001Rs**Addr3.ADD[Addr],Rd; (Addr)+(Rd)

Rd0100**RdAddr返回224.INRd,[Addr];(PortAddr)

Rd5.OUT[Addr],Rd;(Rd)

PortAddr110000RdPortAddr110001RdPortAddr7.HLT110011**6.Jmp[Addr];(Addr)

PC110010**Addr8.DECRd；(Rd)-1Rd110100Rd10.JZAddr；FZ=1,則Addr

PC;否則結(jié)束110101Rd9.INCRd；(Rd)+1Rd110110**Addr返回23程序功能匯編結(jié)果(M地址：機(jī)器指令)MOV1#04H,R104H

R100H:0000000101H:00000100MOV2R1,[11H](R1)

11H02H:0001010003H:00010001IN[00H],R1(INPUTDEVICE)

R104H:1100000105H:00000000MOV2R1,[10H](R1)

10H06H:0001010007H:00010000IN[00H],R1(INPUTDEVICE)

(R1)08H:1100000109H:00000000ADD[10H],R1(10H)+(R1)

R10AH:001000010BH:00010000ADD[11H],R1(11H)+(R1)->R10CH:001000010DH:00010001OUTR1,[00H](R1)

OUTPUTDEVICE0EH:110001010FH:00000000JMP[00H](00H)

PC10H:1100100011H:0000000024指令系統(tǒng)2舉例共有16條指令，分為：5條雙寄存器算術(shù)邏輯運算類指令3條單寄存器指令4條存儲器訪問類指令2條I/O指令2條過程控制類指令程序設(shè)計255條雙寄存器算術(shù)邏輯運算類指令格式：操作碼及功能：I7I6I5I4I3I2I1I0OPSRDR助記符操作碼OP功能MOVDR，SR0000(SR)→DRADDDR，SR0001(SR)+(DR)→DRSUBDR，SR0010(DR)-(SR)→DRANDDR，SR0011(SR)∧(DR)→DRRRCDR，SR0100(SR)進(jìn)行帶進(jìn)位循環(huán)右移→DR263條單寄存器指令格式：操作碼及功能：I7I6I5I4I3I2I1I011OPDR/SR助記符操作碼OP功能INCDR1101(DR)+1→DRDECDR1110(DR)-1→DRCLRDR11110→DR274條存儲器訪問類指令格式：操作碼及功能：SI隱含為R2I7I6I5I4I3I2I1I010MODOP2DRADDR/DISP/XMOD尋址方式EA00直接尋址ADDR01間接尋址[ADDR]10變址尋址（SI）+X11相對尋址（PC）+DISP助記符OP2功能LDA00[EA]→DRSTA01（DR）→EAJMP10EA→PCJZC11若FC+FZ=1，則EA→PC，否則，結(jié)束指令LDADR，[ADDR]LDADR,[SI+DISP]LDADR,[[ADDR]]282條I/O指令格式：操作碼及功能：I7I6I5I4I3I2I1I011OPDRPORTAR助記符操作碼OP功能INDR，[PORTAR]0000(PORTAR)→DROUTDR，[PORTAR]0001(DR)→PORTAR292條過程控制類指令格式：CALLADDR功能說明：

(PC)→(SP),(SP)－1→SP，ADDR→PCI7I6I5I4I3I2I1I0110010××ADDR格式：RET功能說明：

(SP)＋1→SP，((SP))→PCI7I6I5I4I3I2I1I0110011××30地址機(jī)器碼助記符備注00H11111100CLRR0R0當(dāng)作累加器。01H1000001000101011LDAR2，[2BH]直接地址2BHR2當(dāng)作計數(shù)器/變址寄存器;其初值0AH存放在單元2BH中。02H03H1010000100011111L1：LDAR1，[SI+1FH]取出需要累加的數(shù)據(jù);采用變址尋址方式;第1次地址=29H。04H05H00010100ADDR0，R1累加。06H11100010DECR2計數(shù)器遞減；并影響標(biāo)志FZ、FC07H1011110000000011JZCL2相對位移03HFZ+FC=1，轉(zhuǎn)到L2執(zhí)行，F(xiàn)Z+FC=0，順序往下執(zhí)行。08H09H1000010000101010STA[2AH],R0直接地址2AH存儲累加和；采用直接尋址方式。0AH0BH1000100000000011JMPL1直接地址03H無條件轉(zhuǎn)移；采用直接尋址方式。0CH0DH0EH1000100000000000L2:JMP[00H]轉(zhuǎn)移至00H單元。31地址機(jī)器碼助記符備注………20HN1數(shù)據(jù)121HN2數(shù)據(jù)2………29HN10數(shù)據(jù)102AHN1+N2+……+N10累加和2BH00001010B計數(shù)值0AH作業(yè):請仿照前例,寫出例2給出的程序中每條機(jī)器指令對應(yīng)的二進(jìn)制代碼(用存儲器地址：機(jī)器語言程序的形式寫出來)32測試題已知模型機(jī)的指令系統(tǒng)如下：1、ADDDR,[ADDR]（DR)+(ADDR)->DR2、STA[ADDR],DR(DR)->ADDR3、JMP[ADDR]ADDR->PC4、INDR,[PORTAR]INPUT->DR5、OUT[PORTAR],[ADDR](ADDR)->OUTPUT設(shè)計指令格式，并寫出如下程序中各條指令的機(jī)器碼。

IN R0,[00H] ADD R0,[10H] STA [10H],R0 OUT [00H],[10H] JMP [00H]331、ADDDR,[ADDR]2、STA[ADDR],DR

3、JMP[ADDR]4、INDR,[PORTAR]5、OUT[PORTAR],[ADDR]

110001DRADDR110010DRADDR110000DRPORTAR110011××ADDRPORTAR110100××ADDRI7I6I5I4I3I2I1I034地址內(nèi)容助