计算机组成原理(7

1、ALUCPU主机主机I/O设备设备CU主主存存CPUCUALU完成对数据完成对数据的暂存及运的暂存及运算处理算处理基本运算规则基本运算规则基本硬件配置基本硬件配置指挥各部件指挥各部件协同运行协同运行节拍分析节拍分析CU 设设计逻辑计逻辑微程序微程序硬布线硬布线指指令令第章第章 指指 令令 系系 统统7.1 机器指令机器指令 7.2 操作数类型和操作类型操作数类型和操作类型 7.3 寻址方式寻址方式 7.4 指令格式举例指令格式举例 7.5 RISC 技术技术 重点：重点： 1 1、机器指令格式及编码、机器指令格式及编码 2 2、寻址方式、寻址方式 3 3、RISC主要特点及其与主要特点及其与C

2、ISC的区别的区别难点：难点： 1 1、指令格式设计特别是确定指令字中各、指令格式设计特别是确定指令字中各字段的位数及其含义字段的位数及其含义 2 2、寻址方法与地址格式关系、寻址方法与地址格式关系指令：机器完成某种操作（运算）的命令。指令：机器完成某种操作（运算）的命令。指令系统：机器可执行全部指令集合。指令系统：机器可执行全部指令集合。程序：为解决某特定问题而设计的有序指令集合程序：为解决某特定问题而设计的有序指令集合 （完成某种运算处理功能的指令代码序列）。（完成某种运算处理功能的指令代码序列）。指令表现形式：二进制代码指令表现形式：二进制代码机器指令（机器语言）机器指令（机器语言） 助

3、记符助记符汇编指令（汇编语言）汇编指令（汇编语言）指令字长：指令代码二进制的位数。指令字长：指令代码二进制的位数。 指令是计算机运行及用户使用计算机的最小功能指令是计算机运行及用户使用计算机的最小功能单位。单位。 指令的格式、功能、寻址方式与指令的格式、功能、寻址方式与CPU组成结构、组成结构、指令执行步骤关系密切。指令执行步骤关系密切。 指令系统评价：指令系统评价： 完备性完备性常用指令齐全，编程方便。常用指令齐全，编程方便。 高效性高效性占内存空间小，运行速度快。占内存空间小，运行速度快。 规整性规整性规则统一，易学易记。规则统一，易学易记。 兼容性兼容性同一系列机的兼容性。同一系列机的兼

4、容性。 指令系统决定了一台计算机的功能，指令指令系统决定了一台计算机的功能，指令系统确定，硬件必须给予支持。系统确定，硬件必须给予支持。 硬件核心作用：实现指令功能，执行机器硬件核心作用：实现指令功能，执行机器指令程序。指令程序。7.1 机机 器器 指指 令令一、指令的一般格式一、指令的一般格式 操作码字段操作码字段 地址码字段地址码字段1. 操作码（操作码（OP）：）：指明指令操作功能指明指令操作功能(1) 长度固定长度固定(2) 长度可变（扩展操作码）长度可变（扩展操作码）长度：二进制位数长度：二进制位数 指明被操作信息（指令或数据）位置（地址）指明被操作信息（指令或数据）位置（地址） 操

5、作数定位：指令或数据存放的位置操作数定位：指令或数据存放的位置 立即操作数立即操作数 寄存器操作数寄存器操作数 内存操作数内存操作数 I/O操作数操作数 （隐含操作数）（隐含操作数）2. 地址码（地址码（Ad）：指令操作数地址）：指令操作数地址(1) 四地址四地址(2) 三地址三地址OP A1 A2 A3 A4OP A1 A2 A3地址码字段地址码个数：地址码字段地址码个数：(3) 二地址二地址OP A1 A2(4) 一地址一地址OP A1(5) 零地址零地址OP 模型机指令系统:操作码操作码地址码地址码指令格式：OP(6b)Ad(10b)可操作类型(指令个数) 26可访问存储空间 210(0

6、00H-3FFH)功能功能 指令指令 助记符助记符操作码操作码 地址码地址码 ACC M000001LDA M M ACC000010STA M ACCACC+ M 000011ADD M ACC ACC *M000100MUL M 打印打印 M 000101PRT M 停机停机000110HALTZ ACC ACCDataAND #DataZ=1 PC addrJZ addr模型机指令系统：二、指令字长：二、指令字长：指令代码二进制位数指令代码二进制位数指令字长决定于指令字长决定于操作码的长度操作码的长度(指令字长指令字长 = 存储字长存储字长)2. 指令字长指令字长 可变可变操作数地址的长

7、度操作数地址的长度操作数地址的个数操作数地址的个数1. 指令字长指令字长 固定固定按字节的倍数变化按字节的倍数变化指令长度与执行速度指令长度与执行速度及硬件复杂度相关。及硬件复杂度相关。常用指令尽可能短。常用指令尽可能短。尽可能减少访存次数。尽可能减少访存次数。分析：1、固定操作码方式指令结构及可容纳指令条数； 2、扩展操作码方式指令结构及可构成指令条数。三、指令编码三、指令编码模型机 指令字长: 16位 基本操作码：6b 地址码：10b1、固定操作码方式：操作码操作码地址码地址码OP(6b)Ad(10b)可容纳指令条数： 26可访问存储空间 210(000H-3FFH)2、扩展操作码方式：操

8、作码操作码地址码地址码0 0 0 0 0 00 0 0 0 0 11 1 1 1 1 0 A A A1 1 1 1 1 11 1 1 1 1 11 1 1 1 1 100000000001111100000000011111163条一地址指令条一地址指令共共 ？条？条1024条零地址指令条零地址指令= (26 - X) 210 条条若若X条一条一地址指令地址指令？零地？零地址指令址指令可有多种指令结构方案可有多种指令结构方案【例：P301 图7.2】 指令字长：16b 基本操作码：4b 地址码：4b分析：1、固定操作码长度指令结构及可容纳指令条数； 2、扩展操作码方式指令结构及可构成指令条数。

9、1、OP A1 A2 A34 4 4 4 1616条条三地址指令三地址指令分析：分析：固定操作码方式固定操作码方式2、 扩展操作码方式扩展操作码方式操作码的位数随地址数的减少而增加操作码的位数随地址数的减少而增加OP A1 A2 A3000000011110A1A1A1A2A2A2A3A3A3A2A2A2A3A3A3111111111111000000011110111111111111111111111111111111111111000000011111111111111111111111111111A3A3A30000000111104 位操作码位操作码8 位操作码位操作码12 位操作码

10、位操作码16 位操作码位操作码最多最多15条三地址指令条三地址指令最多最多15条二地址指令条二地址指令最多最多15条一地址指令条一地址指令16条零地址指令条零地址指令共共61条条 2、扩展操作码方式、扩展操作码方式操作码的位数随地址数的减少而增加操作码的位数随地址数的减少而增加OP A1 A2 A3000000011110A1A1A1A2A2A2A3A3A3A2A2A2A3A3A3111111111111000000011110111111111111111111111111111111111111000000011111111111111111111111111111A3A3A3000000

11、0111104 位操作码位操作码8 位操作码位操作码12 位操作码位操作码16 位操作码位操作码三地址指令操作码三地址指令操作码每减少一种可多构成每减少一种可多构成24 种二地址指令种二地址指令二地址指令操作码二地址指令操作码每减少一种可多构成每减少一种可多构成24 种一地址指令种一地址指令可有多种指令可有多种指令结构方案结构方案7.2 操作数类型和操作种类操作数类型和操作种类一、操作数类型一、操作数类型地址地址数字数字字符字符逻辑数逻辑数无符号整数无符号整数定点数、浮点数、十进制数定点数、浮点数、十进制数ASCII逻辑运算逻辑运算 位位二、数据在存储器中的存放方式二、数据在存储器中的存放方式

12、字地址字地址 为为 低字节低字节 地址地址字地址字地址 为为 高字节高字节 地址地址37621540字地址字地址04低字节低字节04512673字地址字地址04低字节低字节 字地址与字节地址字地址与字节地址 数据边界：存储单元地址数据边界：存储单元地址 设机器字长设机器字长4B： 字节字节 半字半字 /2 字字 /4 双字双字 /8 存储器中的数据存放：存储器中的数据存放： 边界对准边界对准 边界未对准边界未对准三、操作类型三、操作类型1. 数据传送数据传送2. 算术逻辑运算算术逻辑运算8086： ADD SUB MUL DIV INC DEC CMP NEG AAA AAS AAM AAD

13、AND OR NOT XOR TEST模型机：模型机： LDA M 、 STA M8086： MOV PUSH POP IN OUT模型机：模型机： ADD M 、 MUL M 、 AND #Data3. 移位操作移位操作4. 转移转移(1) 无条件转移无条件转移 8086: JMP(2) 条件转移条件转移8086： SAL SHL SAR SHR ROR ROL模型机：模型机： JZ addr8086： JZ / JNZ 、JC/ JNC (3) 调用和返回调用和返回CALL SUB1.CALL SUB2.CALL SUB2RETRET主程序主程序地址地址200021002101子程序子程序

14、SUB1240025002501256025612700主存空间分配主存空间分配程序执行流程程序执行流程子程序子程序SUB2.(4) 陷阱陷阱 （中断）（中断） 指令指令8086： INT n INTO IRET 研究问题：研究问题： 如何在指令中如何在指令中表示表示一个操作数地址信息一个操作数地址信息 寻址方式寻址方式 如何用这种表示如何用这种表示得到得到操作数或怎样计算出操作数或怎样计算出操作数操作数地址地址 寻址过程寻址过程7.3 寻寻 址址 方方 式式 操作数可存放位置操作数可存放位置操作数定位：操作数定位： （隐含操作数）（隐含操作数） 立即操作数立即操作数 寄存器操作数寄存器操作数

15、 内存操作数内存操作数 I/O操作数操作数 操作数个数操作数个数指令功能决定指令功能决定 形式形式(逻辑逻辑)地址：表示在指令中的地址。地址：表示在指令中的地址。 物理物理(有效有效)地址地址(EA)：形式地址结合某些：形式地址结合某些规则规则(即寻址方式即寻址方式)，计算出的操作数在存，计算出的操作数在存储器中的存储单元地址。储器中的存储单元地址。 操作数寻址：操作数寻址： 指令代码地址指令代码地址指令寻址指令寻址 数据地址数据地址数据寻址数据寻址7.3 寻寻 址址 方方 式式一、指令寻址一、指令寻址顺序：顺序：( PC ) + 1 PC寻找下一条欲执行指令地址寻找下一条欲执行指令地址跳跃跳

16、跃(转移转移)： PC( PC ) + PC绝对跳跃绝对跳跃相对跳跃相对跳跃 PC: ( PC ) + 1 PC PC( PC ) + PCPC计数器：计数器：74161 实验三实验三相对寻址：有效地址计算部件或相对寻址：有效地址计算部件或ALU二、数据二、数据(oprd)寻址寻址 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1. 隐含寻址隐含寻址操作数地址隐含在操作码中操作数地址隐含在操作码中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 指令字

17、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。2. 立即寻址立即寻址 指令执行阶段不访存指令执行阶段不访存 A 的位数限制了立即数的范围的位数限制了立即数的范围OP # A立即寻址特征立即寻址特征立即数立即数 （补码）（补码）oprd =im= A 3. 寄存器寻址寄存器寻址oprd = Ri 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OPRi寻址特征寻址特征操作数操作数R0RiRn寄存器寄存器有效地址即为寄存器编号有效地址即为寄存器编号4. 直接寻址直接寻址EA = A操作数操作数主存主存寻址特征寻址特征LDAAAACC

18、执行阶段访问一次存储器执行阶段访问一次存储器 A 的位数决定了该指令操作数的寻址范围的位数决定了该指令操作数的寻址范围有效地址由形式地址直接给出有效地址由形式地址直接给出oprd = EA =A5. 间接寻址间接寻址EA =A有效地址由形式地址间接提供有效地址由形式地址间接提供OPA寻址特征寻址特征AEA主存主存EAA1EA A1主存主存 EA10 指令执行阶段指令执行阶段 2 次或多次访存次或多次访存 可扩大寻址范围可扩大寻址范围OPA寻址特征寻址特征A一次间址一次间址多次间址多次间址操作数操作数操作数操作数oprd = EA =AEA = Ri 6. 寄存器间接寻址寄存器间接寻址 有效地址

19、在寄存器中，有效地址在寄存器中， 操作数在存储器中，执行阶段访存。操作数在存储器中，执行阶段访存。操作数操作数主存主存OPRi寻址特征寻址特征地址地址R0RiRn寄存器寄存器有效地址在寄存器中有效地址在寄存器中oprd = EA =Ri 7. 基址寻址基址寻址(1) 专用寄存器作基址寄存器专用寄存器作基址寄存器EA = BR + ABR 为基址寄存器为基址寄存器OPA操作数操作数主存主存寻址特征寻址特征ALUBR 可扩大寻址范围可扩大寻址范围 有利于多道程序有利于多道程序 BR 内容由操作系统或管理程序确定内容由操作系统或管理程序确定 在程序的执行过程中在程序的执行过程中 BR 内容不变，形式

20、地址内容不变，形式地址 A 可变可变oprd = EA (2) 通用寄存器作基址寄存器通用寄存器作基址寄存器操作数操作数主存主存寻址特征寻址特征ALUOPR0AR0 作基址寄存器作基址寄存器 由用户指定哪个通用寄存器作为基址寄存器由用户指定哪个通用寄存器作为基址寄存器通用寄存器通用寄存器R0Rn-1R1 基址寄存器的内容由操作系统确定基址寄存器的内容由操作系统确定 在程序的执行过程中在程序的执行过程中 R0 内容不变，形式地址内容不变，形式地址 A 可变可变oprd = EA EA = Ri + A8. 变址寻址变址寻址EA = IX +AOPA操作数操作数主存主存寻址特征寻址特征ALUIX

21、可扩大寻址范围可扩大寻址范围 便于处理数组问题便于处理数组问题 IX 的内容由用户给定的内容由用户给定 IX 为变址寄存器为变址寄存器 在程序的执行过程中在程序的执行过程中 IX 内容可变，形式地址内容可变，形式地址 A 不变不变oprd = EA 9. 相对寻址相对寻址 EA = PC + AA 是相对于当前指令的位移量（补码）是相对于当前指令的位移量（补码） A 的位数决定操作数的寻址范围的位数决定操作数的寻址范围 程序浮动程序浮动 广泛用于转移指令广泛用于转移指令-相对转移相对转移操作数操作数寻址特征寻址特征ALUOPA相对距离相对距离 A1000PC 主存主存1000AOPoprd =

22、 EA = PC10. 堆栈寻址堆栈寻址堆栈堆栈硬堆栈硬堆栈软堆栈软堆栈多个寄存器多个寄存器指定的存储空间指定的存储空间先进后出先进后出（一个入出口）（一个入出口） 栈顶地址栈顶地址 由由 SP 指出指出 11FFFH +12000 H进栈进栈 （SP） ? SP出栈出栈 （SP）+ ? SP栈顶栈顶栈底栈底2000 HSP2000 H1FFF HSP1FFFH栈顶栈顶栈底栈底进栈进栈出栈出栈 1FFF H栈顶栈顶 2000 H栈顶栈顶模型机指令分析：模型机指令分析：操作码操作码地址码地址码OP(6b)Ad(10b)7.4 指令格式及寻址方式举例指令格式及寻址方式举例功能功能 指令指令 助记符助记符操作码操作码 地址码地址码 ACC M000001LDA M M ACC000010STA M ACCACC+ M