CPU指令系统和控制器部件

1、 如何设计指令的数据通路？ 如何划分指令的执行步骤? 如何根据指令得到控制信号？ 指令之间如何衔接？ 在不增加太多硬件的情况下如何提高性能？ 控制信号生成：组合逻辑或微程序 程序自动执行： PC 、节拍和下地址 指令系统：RISC和CISC 提高性能：指令流水数据运算数据运算部件部件计算机控制计算机控制部件部件存储存储部件部件接口线路接口线路数据输入数据输入设备设备接口线路接口线路数据输出数据输出设备设备数据总线数据总线地址总线地址总线控制总线控制总线计算机主机计算机主机 计算机计算机 外围设备外围设备计算机的计算机的 CPU指令：指令： 是是指指示计算机执行基本操作的命示计算机执行基本操作的

2、命令令。指令也是用户使用计算机的最小功能单指令也是用户使用计算机的最小功能单位。位。 从计算机组成的层次结构来说，计从计算机组成的层次结构来说，计算机的指令有微指令、机器指令和宏指算机的指令有微指令、机器指令和宏指令之分。令之分。 微指令：微指令：是微程序级的命令，它属于硬件；是微程序级的命令，它属于硬件；宏指令：宏指令：是由苦干条机器指令组成的软件指令，是由苦干条机器指令组成的软件指令，它属于软件；它属于软件； 机器指令：机器指令：则介于微指令与宏指令之间，通常则介于微指令与宏指令之间，通常简称为指令。每一条指令可完成一个独立的算简称为指令。每一条指令可完成一个独立的算术运算或逻辑运算操作。

3、术运算或逻辑运算操作。 本章所讨论的指令是机器指令。本章所讨论的指令是机器指令。 指令系统：指令系统：一台计算机支持一台计算机支持( (或称使用或称使用) )的全部指令的的全部指令的集合构成该计算机的指令系统。集合构成该计算机的指令系统。由于指令与计算机的性能以及硬件结构密由于指令与计算机的性能以及硬件结构密切相关，所以不同系列、不同型号的计算机其切相关，所以不同系列、不同型号的计算机其指令系统是不一样的。指令系统是不一样的。 指令的基本格式指令的基本格式 寻址方式寻址方式 指令系统的设计要求指令系统的设计要求 指令系统的发展指令系统的发展 op rs rt rd sa func op rs

4、rt immediate op target MIPS 指令格式指令格式 (32位位) dr sr io port/offsetImmediate/address/offsetTh-union指令格式指令格式 (16位位) op任何一条机器指令由一组有意义的二进制任何一条机器指令由一组有意义的二进制代码构成，称为一个代码构成，称为一个指令字指令字。 如何把一个指令如何把一个指令字划分成多个字段并分配各字段所表示的内容字划分成多个字段并分配各字段所表示的内容大有学问。大有学问。 一、指令的基本格式一、指令的基本格式 1. 1.操作码操作码定长操作码定长操作码变长操作码变长操作码 在指令系统中，在

5、指令系统中，每一条指令都有唯一确定每一条指令都有唯一确定的操作码。的操作码。 分二种形式：分二种形式： a. a. 定长操作码形式定长操作码形式在指令字中，操作码字段的位数和在指令字中，操作码字段的位数和位置是固定的。位置是固定的。早期的计算机一般采用定长操作码早期的计算机一般采用定长操作码的设计，控制简单，且对操作码的译码的设计，控制简单，且对操作码的译码实现容易。实现容易。 IBM 360/370 IBM 360/370 操作码是操作码是八位八位的：的：00000000000000001111111111111111 该指令系统最多可有多少条指令？该指令系统最多可有多少条指令？ Th-un

6、ionTh-union操作码是操作码是八位八位的：的： 00000000000000001111111111111111 该指令系统最多可有该指令系统最多可有256256条指令条指令。 例如：例如：RiRi：通用寄存器：通用寄存器XiXi：变址寄存器：变址寄存器BiBi：基址寄存器：基址寄存器DiDi：位移量：位移量I I： 立即数立即数L L： 数据的长度数据的长度定长操作码的特点定长操作码的特点 优点：有利于简化硬件设计，提高指令译码的速度优点：有利于简化硬件设计，提高指令译码的速度和指令执行的速度。和指令执行的速度。 缺点：限制了指令系统的扩充、缺点：限制了指令系统的扩充、 不利于缩短指

7、令的不利于缩短指令的长度，存在有很大程度的信息冗余长度，存在有很大程度的信息冗余 。 b. b. 变长操作码形式变长操作码形式指令系统中，各指令的操作码字段位数指令系统中，各指令的操作码字段位数不等长。不等长。例：例：PDP-11PDP-11小型机的指令系统小型机的指令系统 其指令长度为其指令长度为1616位，操作码字段的长度位，操作码字段的长度有有、1010、1313、1616等不同的情况。等不同的情况。 为增加操作码长度，采用为增加操作码长度，采用 操作码逐段扩展技术操作码逐段扩展技术 变长操作码的特点变长操作码的特点 优点：可方便扩充指令系统有利于缩短指令优点：可方便扩充指令系统有利于缩

8、短指令操作码的平均长度。操作码的平均长度。 缺点：指令译码的控制复杂，硬件电路复杂。缺点：指令译码的控制复杂，硬件电路复杂。 2. 2.地址码的设计和安排地址码的设计和安排按照指令中按照指令中地址码字段地址码字段给出的给出的地址的个地址的个数数的不同，的不同，无地址指令（零地址指令）无地址指令（零地址指令）一地址指令（单地址指令）一地址指令（单地址指令）双地址指令双地址指令多地址指令多地址指令有四种情况有四种情况: :a. a. 无地址指令无地址指令( (零地址指令零地址指令) )有二种情况：有二种情况： 指令不需要任何操作数。指令不需要任何操作数。 操作数为隐含的，或操作数操作数为隐含的，或

9、操作数地址是默认的。地址是默认的。 格式格式: : b. b. 一地址指令一地址指令( (单地址指令单地址指令) )只有一个地址码，用于单操作数指令。只有一个地址码，用于单操作数指令。 或者双操作数指令，但其中一个操作数的或者双操作数指令，但其中一个操作数的地址为默认值。地址为默认值。 格式格式: : c. c. 双地址指令双地址指令ADD DR, SRADD DR, SR 格式格式: : d. d. 多地址指令多地址指令特点：特点：操作完成后操作完成后源操作数源操作数的内容不被破坏，的内容不被破坏，用户编程方便。严重的缺点是指令字较长。用户编程方便。严重的缺点是指令字较长。格式格式: :格式

10、格式: : 3. 3.指令字长度指令字长度 机器指令的二进制序列的位数。机器指令的二进制序列的位数。 定长指令定长指令变长操作码变长操作码 变长指令变长指令定长操作码定长操作码例例1:1:某机指令系统，指令字为某机指令系统，指令字为1616位固定长，位固定长，要求有要求有地址指令、地址指令、地址指令、地址指令、地址指地址指令和令和地址指令，每个地址码地址指令，每个地址码位。应如何位。应如何设计？设计？ a. a. 定长指令变长操作码定长指令变长操作码 该种形式是将操作码的设计与地址码的该种形式是将操作码的设计与地址码的设计作为一个整体考虑，以形成高效合理的设计作为一个整体考虑，以形成高效合理的

11、指令编码。指令编码。 练习练习1.1.指令字长为指令字长为1212位，每个地址码为位，每个地址码为3 3位，采用扩展位，采用扩展操作的方式，设计操作的方式，设计4 4条三地址指令、条三地址指令、1616条二地址指令、条二地址指令、6464条一地址指令和条一地址指令和1616条零地址指令。条零地址指令。(1)(1)画出扩展图。画出扩展图。(2)(2)画出指令译码逻辑。画出指令译码逻辑。 000000 011011 100 1000 0 00 0 0 1011011 1 11 1 1 110 1100 0 00 0 00 0 0 0 0 0 1101101 1 11 1 11 1 11 1 1 1

12、11 1110 0 00 0 00 0 00 0 00 0 00 0 0 1111110 0 00 0 00 0 10 0 11 1 11 1 14 4条三地址指令条三地址指令1616条二地址指令条二地址指令1616条零地址指令条零地址指令6464条一地址指令条一地址指令（1 1）操作码的扩展如下图所示。）操作码的扩展如下图所示。练习练习2.2.设某机为定长指令字结构，指令长度设某机为定长指令字结构，指令长度1212位，每位，每个地址码占位，试提出一种方案，使该系统包含个地址码占位，试提出一种方案，使该系统包含条三地址指令，条二地址指令，条三地址指令，条二地址指令，60 60 条单地址指令。条

13、单地址指令。 000000 011011 100 1000 0 00 0 0 1001001 1 11 1 1 101 1010 0 00 0 00 0 0 0 0 0 1011011 1 11 1 10 1 10 1 14 4条三地址指令条三地址指令8 8条二地址指令条二地址指令6060条一地址指令条一地址指令练习练习3.3.设某机为定长指令字结构，指令长度设某机为定长指令字结构，指令长度1212位，每个地址码占位，每个地址码占位，试提出一种方案，使该系统包含条三地址指令，条二位，试提出一种方案，使该系统包含条三地址指令，条二地址指令，地址指令，180 180 条单地址指令。条单地址指令。

14、另问：能否构成三地址指令条，单地址指令另问：能否构成三地址指令条，单地址指令255255条，零地址条，零地址指令指令6464条呢？条呢？ 000000 011011 100 1000 0 00 0 0 1001001 1 11 1 1 101 1010 0 00 0 00 0 0 0 0 0 1111111 1 01 1 00 1 10 1 14 4条三地址指令条三地址指令8 8条二地址指令条二地址指令180180条一地址指令条一地址指令 000000 011011 100 1000 0 00 0 00 0 0 0 0 0 1111111 1 11 1 11 1 01 1 0 111 1 1

15、1 1 1 1 0 0 0 111 1 1 1 1 1 1 0 0 0 1111111 1 11 1 11 1 11 1 1 1 1 11 1 1255255条一地址指令条一地址指令8 8条零地址指令条零地址指令4 4条三地址指令条三地址指令 b. b. 变长指令定长操作码变长指令定长操作码例：例：IBM360/370IBM360/370 指令的操作码是指令的操作码是位的，位的， 指令字为指令字为1616位、位、3232位、位、4848位。位。 TH-unionTH-union 指令的操作码是指令的操作码是8 8位的，位的， 指令字为指令字为1616位位. . 设某机型需设计设某机型需设计 1

16、00100条指令。试确定条指令。试确定以下两种操作码设计方案的操作码长度。以下两种操作码设计方案的操作码长度。1)1)采用定长操作码格式。采用定长操作码格式。2)2)采用扩展操作码法。采用扩展操作码法。( (设设1010的指令使的指令使用频度为用频度为9090) )思考：思考： 二、寻址方式二、寻址方式寻址方式：寻址方式：指的是确定本条指令的数据地址指的是确定本条指令的数据地址及及下一条要执行的指令地址的方法。下一条要执行的指令地址的方法。 不同的计算机系统，使用数目和功能不不同的计算机系统，使用数目和功能不同的寻址方式，其实现的复杂程度和运行性同的寻址方式，其实现的复杂程度和运行性能也各不相

17、同。能也各不相同。1、指令寻址、指令寻址顺序顺序(PC)+1PC跳跃跳跃由转移指令指出由转移指令指出LDA1000ADD1001DEC1200JMP7LDA2000SUB2001INCSTA2500LDA1100.0123456789PC+1指令地址寻址方式指令地址寻址方式指令地址指令地址指令指令顺序寻址顺序寻址1顺序寻址顺序寻址2顺序寻址顺序寻址3跳跃寻址跳跃寻址7顺序寻址顺序寻址82、数据寻址、数据寻址约定约定指令字长指令字长=存储字长存储字长=机器字长机器字长形式地址形式地址A操作码操作码寻址特征寻址特征 通常需要在指令中为每一个操作数专设一个地址字通常需要在指令中为每一个操作数专设一个

18、地址字段，用来表示数据的来源或去向的地址。段，用来表示数据的来源或去向的地址。 在指令中给出的操作数的地址被称为形式地址，使在指令中给出的操作数的地址被称为形式地址，使用形式地址信息并按一定的规则计算出来的一个数值用形式地址信息并按一定的规则计算出来的一个数值才是数据（或指令）的实际地址。才是数据（或指令）的实际地址。 运算器中寄存器的编号或专用寄存器名称（编号）运算器中寄存器的编号或专用寄存器名称（编号） 输入输入/ /输出指令中输出指令中I/O I/O 设备的输入输出端口地址设备的输入输出端口地址 内存储器的一个存储单元内存储器的一个存储单元( (或一或一I/OI/O设备设备) )的地址的

19、地址 在指令的操作数地址字段，可能要指出：在指令的操作数地址字段，可能要指出： 在计算机的指令系统中，会有多种在计算机的指令系统中，会有多种基本寻基本寻址方式址方式和某些和某些复合寻址方式复合寻址方式, ,简介如下简介如下: :1)1)直接寻址直接寻址 在指令的地址码字段直接给出所需的操作数在指令的地址码字段直接给出所需的操作数( (或指令或指令) )在存储器中的地址。在存储器中的地址。 存储器地址为操作数在存储器地址为操作数在存储器中的地址。或转移存储器中的地址。或转移指令等用到的指令地址。指令等用到的指令地址。内存储器内存储器 例：例：MOVR1，0800简单直观，执行速度快。简单直观，执

20、行速度快。编程不灵活，访问空间有限。编程不灵活，访问空间有限。2)2)寄存器寻址寄存器寻址 指令地址码字段给出某一通用寄存器的指令地址码字段给出某一通用寄存器的编号编号( (地址地址) )，且，且所需的操作数就在这个寄存所需的操作数就在这个寄存器中，这就是器中，这就是寄存器寻址方式。寄存器寻址方式。执行阶段不访存，只访问寄存器，执行速度快。执行阶段不访存，只访问寄存器，执行速度快。寄存器个数有限，可缩短指令字长。寄存器个数有限，可缩短指令字长。3)3)间接寻址方式间接寻址方式 若寄存器中存放的是操作数在内存中所在若寄存器中存放的是操作数在内存中所在单元的地址，单元的地址，这就是这就是寄存器间接

21、寻址方式。寄存器间接寻址方式。a.通过通过寄存器寄存器的的间接寻址间接寻址方式方式 寄存器间接寻址示意图寄存器间接寻址示意图 (1)(1)寄存器寻址与寄存器间接寻址的不同点寄存器寻址与寄存器间接寻址的不同点 操作数所在位置不同操作数所在位置不同 指令执行的速度不同指令执行的速度不同思考题思考题(2)(2)设计寄存器间接寻址的必要性设计寄存器间接寻址的必要性 可有效缩短指令的长度可有效缩短指令的长度 可方便程序处理的需要可方便程序处理的需要b.通过存储通过存储器器的的间接寻址间接寻址方式方式 指令的地址码字段给出的内容既不是操作指令的地址码字段给出的内容既不是操作数，也不是操作数的地址，而是操作

22、数（或指数，也不是操作数的地址，而是操作数（或指令）地址的地址，这被称为存储器间接寻址方令）地址的地址，这被称为存储器间接寻址方式。式。操作数操作数Addr1特点：特点： 比直接寻址灵活，并且比直接寻址灵活，并且可用指令中的短地址访问大的内可用指令中的短地址访问大的内存空间；取操作数需二次访问主存空间；取操作数需二次访问主存，降低了指令执行的速度。存，降低了指令执行的速度。 4)4)基址寻址方式基址寻址方式 在计算机中设置一个专用的基址寄存器，在计算机中设置一个专用的基址寄存器，操作数（或指令）的地址通过基址寄存器的内操作数（或指令）的地址通过基址寄存器的内容和指令中的地址码相加得到。容和指令

23、中的地址码相加得到。存储器存储器 主要用于为程序或数据分配存储区，对主要用于为程序或数据分配存储区，对多道程序或浮动程序很有用，解决了程序在多道程序或浮动程序很有用，解决了程序在存储器中的定位和扩大寻址空间等问题。存储器中的定位和扩大寻址空间等问题。5)5)变址寻址方式变址寻址方式 操作数的地址由指定的变址寄存器（由操作数的地址由指定的变址寄存器（由RegReg指定）的内容和指令中的地址码（指定）的内容和指令中的地址码（DispDisp）相加）相加得到。得到。存储器存储器 便于对数组元素进行处理，此方式是便于对数组元素进行处理，此方式是计算机中常用的一种寻址方式。计算机中常用的一种寻址方式。6

24、)6)块块( (串串) )寻址方式寻址方式 为了对数组运算提供更好的支持，采用该为了对数组运算提供更好的支持，采用该种寻址方式的指令中，要对整个数组实现某种种寻址方式的指令中，要对整个数组实现某种运算，只需给出数组的首地址和末地址，这条运算，只需给出数组的首地址和末地址，这条指令执行一次，可对数组的全部元素完成某种指令执行一次，可对数组的全部元素完成某种运算操作。运算操作。 此方式是现代计算机中广泛采用的一种寻此方式是现代计算机中广泛采用的一种寻址方式。址方式。7)7)隐含寻址方式隐含寻址方式 对于双操作数指令，如果事先约定参与运对于双操作数指令，如果事先约定参与运算的一个操作数固定存放在某个

25、寄存器或某个算的一个操作数固定存放在某个寄存器或某个存储单元中。指令中不直接给出某个操作数的存储单元中。指令中不直接给出某个操作数的地址，被称为隐含寻址方式。地址，被称为隐含寻址方式。ADDA操作数操作数主存主存寻址特征寻址特征AACC暂存暂存ALU另一个操作数另一个操作数隐含在隐含在ACC中中如如8086MUL指令指令被乘数隐含在被乘数隐含在AX（16位）或位）或AL（8位）中位）中MOVS指令指令源操作数的地址隐含在源操作数的地址隐含在SI中中目的操作数的地址隐含在目的操作数的地址隐含在DI中中指令字中少了一个地址字段，可缩短指令字长。指令字中少了一个地址字段，可缩短指令字长。8)8)立即

26、寻址方式立即寻址方式 所需的一个操作数在指令的地址码部分直所需的一个操作数在指令的地址码部分直接给出。接给出。特点：特点：在取指令的同时取出了操作数，不必访问主在取指令的同时取出了操作数，不必访问主存，提高了指令的执行速度存，提高了指令的执行速度; ;灵活性差。灵活性差。 操作数操作数( (或指令或指令) )的地址由程序计数器的地址由程序计数器PCPC的的内容内容( (即当前执行指令的地址即当前执行指令的地址) )和指令的地址码和指令的地址码相加得到。相加得到。 主要用于转移指令，对缩短指令长度很有主要用于转移指令，对缩短指令长度很有用。位移量可正可负，通常用补码表示。用。位移量可正可负，通常

27、用补码表示。9)9)相对寻址方式相对寻址方式 PCPCJMP现行指令现行指令JMPADD AXADD AX，BXBX20012001PCPC在指令中不指定，是隐含在指令中不指定，是隐含的，所以可以缩短指令长度。的，所以可以缩短指令长度。 例题：设相对转移指令占两个字节，第一个例题：设相对转移指令占两个字节，第一个字节是操作码，其地址是字节是操作码，其地址是 2000H2000H，第二个字节是，第二个字节是相对位移量，那么：相对位移量，那么：(PC)=2002H(PC)=2002H 堆栈是内存储器中一块按堆栈是内存储器中一块按“”原原则进行读写的存储区，并通过一个专用的寄存则进行读写的存储区，并

28、通过一个专用的寄存器器( (堆栈指针堆栈指针) )给出堆栈的栈顶地址，完成数给出堆栈的栈顶地址，完成数据的读写操作，故不必在指令中用操作数地址据的读写操作，故不必在指令中用操作数地址字段给堆栈地址。通常在读写操作的前后伴随字段给堆栈地址。通常在读写操作的前后伴随有计算机自动有计算机自动( (不是用户通过指令不是用户通过指令) )修改修改内容内容的动作，以确保按正确的的动作，以确保按正确的“”原则读原则读写堆栈区。写堆栈区。 10) 10)堆栈结构及寻址堆栈结构及寻址1.1.用操作码区分用操作码区分2.2.在指令中划分专用的字段来说明在指令中划分专用的字段来说明 操作操作码码 操作数操作数 操作

29、码操作码 寄存器寄存器 操作数操作数 R 操作码操作码 存储器存储器 指令指令 操作数操作数 A 操作码操作码 操作数操作数 A 存储器存储器 寄存器寄存器 R 存储器存储器 操作码操作码 操作数操作数 A A 操作码操作码 操作数操作数 PC 存储器存储器 A 寻址方式寻址方式 有效地址有效地址EAEA的计算公式的计算公式 寻址范围寻址范围 立即寻址立即寻址 直接寻址直接寻址 间接寻址间接寻址 变址寻址变址寻址 相对寻址相对寻址 解：因为解：因为OPOP字段长字段长5 5位，所以指令能定义位，所以指令能定义2 25 5=32=32种指令。种指令。 例：某机字长为例：某机字长为1616位，存储

30、器按字编址，访内存指令格式如下：位，存储器按字编址，访内存指令格式如下： 15 11 10 8 7 015 11 10 8 7 0其中其中OPOP是操作码，是操作码，M M定义寻址方式，定义寻址方式，A A为形式地址。设为形式地址。设PCPC和和RxRx分分别为程序计数器和变址寄存器，字长别为程序计数器和变址寄存器，字长1616位。位。 （1 1）该指令能定义多少种指令？）该指令能定义多少种指令？ （2 2）表中各种寻址方式的寻址范围为多少？）表中各种寻址方式的寻址范围为多少？ （3 3）写出表中各种寻址方式的有效地址）写出表中各种寻址方式的有效地址EAEA的计算公式。的计算公式。练习题：练习

31、题： 某机字长某机字长1616位，内存容量为位，内存容量为64K64K字，指令格字，指令格式为单字长单地址，其有式为单字长单地址，其有6464条指令，问：条指令，问： 1 1）若只采用直接寻址方式，指令能访问多）若只采用直接寻址方式，指令能访问多少内存单元？少内存单元？ 2 2）为了扩充指令的寻址范围，可采用直接）为了扩充指令的寻址范围，可采用直接/ /间接寻址方式，若只增加一位直接间接寻址方式，若只增加一位直接/ /间接标志，间接标志，指令可寻址范围为多少？指令直接寻址的范围指令可寻址范围为多少？指令直接寻址的范围为多少？为多少？ 一个完善的指令系统应满足如下四方面的一个完善的指令系统应满足

32、如下四方面的要求：要求： 三、指令系统的设计要求三、指令系统的设计要求1.1.对称性是指在指令系统中所有的寄存器和存对称性是指在指令系统中所有的寄存器和存储器单元都可同等对待，所有的指令都可使用储器单元都可同等对待，所有的指令都可使用各种寻址方式；各种寻址方式；2.2.匀齐性是指一种操作性质的指令可以支持各匀齐性是指一种操作性质的指令可以支持各种数据类型；种数据类型；3.3.指令格式和数据格式的一致性是指指令长度指令格式和数据格式的一致性是指指令长度和数据长度有一定的关系，以方便处理和存取。和数据长度有一定的关系，以方便处理和存取。 输入设备输入设备输出设备输出设备入出接口和总线入出接口和总线外存设备外存设备主存储器主存储器高速缓存高速缓存控控 制制 器器运运 算算 器器ADDSUBANDORMVRRSHRRCLOUTSTORE PUSHJUMPJRCCALLRETLOAD POPIN指令的功能分类指令的功能分类 算术与逻辑运算指令算术与逻辑运算指令 加、减、乘、除、变符号加、减、乘、除、变符号 等算术运算等算术运算 与、或、非、异或与、或、非、异或 等逻辑运算等逻辑运算 移位操作指令移位操作指令 算术移