计算机组成原理第4章

1、1第四章第四章 指令系统指令系统 2 指令系统定义：指令系统定义： 机器指令机器指令要求要求某种运算或操作的某种运算或操作的命令命令； 指令系统指令系统所有机器指令的集合所有机器指令的集合。 指令系统与软硬件关系：指令系统与软硬件关系：4.1 4.1 指令系统组成指令系统组成指令系统指令系统按约定形成按约定形成按约定实现按约定实现计算机硬件计算机硬件计算机软件计算机软件应用需求应用需求相一致相一致执行软件执行软件应用结果应用结果 指令系统是指令系统是软硬件交界面软硬件交界面3一、指令功能一、指令功能1 1、指令的操作数、指令的操作数 * *操作数类型：操作数类型：所有种类所有种类的的数据表示数

2、据表示， 通常有定点通常有定点/ /浮点数、逻辑数、字符、浮点数、逻辑数、字符、等；等； * *操作数长度：操作数长度：部分种类部分种类有有几种长度几种长度， 如定点如定点/ /浮点数及逻辑数等浮点数及逻辑数等42 2、指令的操作、指令的操作 * *指令操作类型指令操作类型软件中软件中使用频率较高使用频率较高的的基本操作基本操作； 如数据传送、算逻运算、转移控制等种类如数据传送、算逻运算、转移控制等种类 课件约定课件约定 第第A A个寄存器个寄存器的的地址地址用用RARA表示、表示、内容内容用用(RA)(RA)表示；表示； 第第A A个主存单元个主存单元的的地址地址用用AA表示、表示、内容内容

3、用用AA表示；表示； 操作操作的的源操作数源操作数用内容表示、用内容表示、目标操作数目标操作数用地址表示用地址表示(1)(1)数据传送数据传送 * *操作功能：操作功能：REGREG、主存、主存、I/OI/O设备间的数据传送；设备间的数据传送； 如如 R0(R1)R0(R1)、R00100HR00100H，各部件均可为目标操作数，各部件均可为目标操作数 * *操作数：操作数：8b/16b/8b/16b/的的信息信息( (数值数值/ /字符字符/ /地址等地址等) )； * *操作数个数：操作数个数：2 2个个无需区分数据类型无需区分数据类型( (无数据运算无数据运算) )5(2)(2)算术逻辑

4、运算算术逻辑运算 * *操作功能：操作功能：算术运算算术运算加、减、乘、除、加、减、乘、除、+1+1、-1-1、求补等；、求补等； 如：如：R0(R1)+0100HR0(R1)+0100H、R2(R2)+1R2(R2)+1 逻辑运算逻辑运算与、或、非等；与、或、非等； 如：如：R0(R0)&(R1)R0(R0)&(R1)、R0(R0)R0(R0) * *操作数：操作数：算术运算算术运算为为8b/16b/8b/16b/的有符号的有符号/ /无符号定点数，无符号定点数， 逻辑运算逻辑运算为为8b/16b/8b/16b/逻辑数，逻辑数， 源操作数、目标操作数源操作数、目标操作数的数据

5、类型应相同；的数据类型应相同； * *操作数个数：操作数个数：1 13 3个个( (如如+1+1、CA+BCA+B、AA+B)AA+B)； * *操作结果状态：操作结果状态：Z(Z(是否为零是否为零) )、S(S(是否为负数是否为负数) )、 V(V(是否溢出是否溢出) )、C(C(是否有进位是否有进位/ /借位借位) )等等 状态产生与保存状态产生与保存由由ALUALU产生、用产生、用状态寄存器状态寄存器保存保存关系运算关系运算= =算术运算算术运算+ +结果状态结果状态+ +逻辑运算逻辑运算6(3)(3)转移操作转移操作 * *操作功能：操作功能：改变程序的逻辑顺序改变程序的逻辑顺序( (

6、即下条指令地址即下条指令地址PC)PC)， 有条件转移、无条件转移、调用、返回等种类；有条件转移、无条件转移、调用、返回等种类； * *操作数：操作数：显式显式指令的指令的绝对地址绝对地址或或相对地址相对地址( (偏移量偏移量) )， 隐式隐式状态寄存器的状态寄存器的状态状态、堆栈的、堆栈的顶部内容顶部内容； * *显式操作数个数：显式操作数个数：1 1个或个或0 0个个7(4)(4)移位操作移位操作 * *操作功能：操作功能：逻辑左逻辑左/ /右移、算术左右移、算术左/ /右移、循环左右移、循环左/ /右移等；右移等； * *操作数：操作数：操作数据操作数据8b/16b/8b/16b/的定点

7、数或逻辑数，的定点数或逻辑数， 移动位数移动位数8b/16b/8b/16b/的无符号定点数；的无符号定点数； * *操作数个数：操作数个数：2 2个个(5)(5)其他类型操作其他类型操作 浮点运算、十进制运算、字符串处理等浮点运算、十进制运算、字符串处理等8二、指令格式二、指令格式 * *指令格式组成：指令格式组成：由操作码、地址码两个字段组成由操作码、地址码两个字段组成操作码字段操作码字段地址码字段地址码字段 * *指令格式的相关参数：指令格式的相关参数：即需约定的内容即需约定的内容OPOPA A1 1A A2 2目标地址目标地址(A(A1 1) OP (A) OP (A2 2) )操作数类

8、型操作数类型( (长度长度)?)?操作类型？操作类型？A1/A2?A1/A2?地址个数地址个数? ?操作数对应的操作数对应的部件及地址部件及地址? ?下条指下条指令地址令地址? ? * *指令系统组成：指令系统组成：由若干种机器指令格式组成由若干种机器指令格式组成第第1 1种：种：第第2 2种：种：第第n n种：种：A A1 1 A A2 2OPOP1 1A AOPOP2 2A A1 1 A A2 2OPOPn n注：注：各种指令操作码须各种指令操作码须互不相同互不相同！ 操作数类型为硬件操作数类型为硬件数据表示数据表示！91 1、操作码字段、操作码字段 * *功能：功能：用编码指明用编码指明

9、( (约定约定) )操作的性质操作的性质, , 包括操作类型、操作数类型及长度包括操作类型、操作数类型及长度3 3个方面；个方面；102 2、地址码字段、地址码字段 * *功能：功能：用编码指明用编码指明各操作数的地址、源各操作数的地址、源/ /目标属性，目标属性， 指明指明下条指令地址；下条指令地址； * *地址码个数：地址码个数： 指令系统中指令系统中规定规定地址码个数的最大值，地址码个数的最大值， 不同指令中不同指令中用操作码用操作码约定约定地址码地址码个数个数； * *地址码源地址码源/ /目标属性：目标属性： 隐含隐含约定第一个约定第一个( (或最后一个或最后一个) )地址码，地址码

10、， 显式显式指明；指明； * *操作数地址的表示：操作数地址的表示：下小节讨论；下小节讨论； * *下条指令地址的表示：下条指令地址的表示： 当前指令为顺序型当前指令为顺序型PC=(PC)+PC=(PC)+当前指令长度当前指令长度，可可隐含表示隐含表示 当前指令为转移型当前指令为转移型PC=IRPC=IR中的中的( (地址码地址码) )， 需需显式表示；显式表示；8113 3、指令字、指令字 * *组成：组成：由操作码及地址码组成，操作码在指令字前部由操作码及地址码组成，操作码在指令字前部；零地址指令：零地址指令：单地址指令：单地址指令：双地址指令：双地址指令：三地址指令：三地址指令：OPOP

11、OPOPA AOPOPA A1 1A A2 2OPOPA A1 1A A2 2A A3 3 * *指令字类型：指令字类型： 按地址个数分按地址个数分 指令字长指令字长 机器字长机器字长 按指令字长分按指令字长分指与机器字长的关系指与机器字长的关系 单字长指令、半字长指令、双字长指令等单字长指令、半字长指令、双字长指令等 * *指令字结构：指令字结构： ( (指令系统特性指令系统特性) ) 定长指令字结构定长指令字结构不同指令的指令字长不同指令的指令字长完全相同完全相同， 变长指令字结构变长指令字结构不同指令的指令字长不同指令的指令字长不尽相同不尽相同11124.2 4.2 操作数存放与寻址方式

12、操作数存放与寻址方式一、操作数的存放方式一、操作数的存放方式1 1、数据在、数据在REGREG中的存放方式中的存放方式 基础基础通常通常REGREG长度长度CPUCPU字长字长，REGREG按其数量进行编址。按其数量进行编址。132 2、数据在存储器中的存放方式、数据在存储器中的存放方式 基础基础存储字长存储字长最短的最短的数据长度数据长度； * *存放方式：存放方式：存放在存放在连续存储单元连续存储单元中，中， 用用最小单元地址最小单元地址表示数据地址；表示数据地址； 次序次序有有大端次序大端次序和和小端次序小端次序两种方式，可任选一种两种方式，可任选一种N+1N+1N+2N+2N+3N+3

13、B BB BB BB B数数据据长长度度边界不对齐方式边界不对齐方式多体存储器多体存储器地址地址 3 03 0 7 4 7 411 811 815121512C(N=3)C(N=3)A(N=0)A(N=0)B(N=1)B(N=1)C(C(续续) )D(N=7)D(N=7)D(D(续续) )E(N=9)E(N=9)数数F(N=10)F(N=10)边界对齐方式边界对齐方式A(N=0)A(N=0)B(N=2)B(N=2)C(N=4)C(N=4)D(N=8)D(N=8)E(N=10)E(N=10)F(N=12)F(N=12)多体存储器多体存储器 边界边界有有边界不对齐边界不对齐和和边界对齐边界对齐两种

14、方式，常两种方式，常选对齐方式选对齐方式143 3、数据、数据( (常数常数) )在指令中的存放方式在指令中的存放方式154 4、堆栈存取方式、堆栈存取方式 * *堆栈：堆栈：堆栈是一种堆栈是一种按按“后进先出后进先出”顺序顺序 存取存取的存储区；的存储区； * *堆栈存取方式：堆栈存取方式：类似于圆桶中放入类似于圆桶中放入/ /取出木板取出木板 操作步骤操作步骤入栈：入栈：先先移动移动栈顶栈顶，再，再在栈顶在栈顶写入写入数据，数据， 出栈：出栈：先先从栈顶从栈顶读出读出数据，再数据，再移动移动栈顶栈顶； 操作类型操作类型入栈入栈(PUSH/(PUSH/压栈压栈) )、出栈、出栈(POP/(P

15、OP/弹出弹出) )；空堆栈空堆栈A AA A入栈入栈B B入栈入栈出栈出栈(B)(B)A AB BA A 存取特征存取特征后进先出顺序、不按地址访问，后进先出顺序、不按地址访问， 破坏性读出破坏性读出( (只对栈顶操作只对栈顶操作) )；616二、寻址方式二、寻址方式 * *寻址方式：寻址方式：形成形成当前指令操作数或操作数地址当前指令操作数或操作数地址 及及下条指令地址下条指令地址的方式；的方式； * *存放数据的部件：存放数据的部件：寄存器、主存、寄存器、主存、I/OI/O设备，设备， 堆栈、堆栈、IR(IR(指令中指令中) )； * *存放指令的部件：存放指令的部件：主存；主存；常采用

16、独立编址常采用独立编址( (均从零开始均从零开始) )方式方式 * *数据数据/ /指令的指令的MEMMEM地址：地址： 有效地址有效地址(EA)(EA) 物理地址物理地址(PA)(PA) 按地址访问按地址访问不按地址访问不按地址访问8171 1、指令寻址方式、指令寻址方式 * *指令种类：指令种类：顺序型指令、转移型指令；顺序型指令、转移型指令； * *指令寻址方式：指令寻址方式： 顺序寻址顺序寻址用于顺序型指令的下条指令寻址用于顺序型指令的下条指令寻址 隐含寻址隐含寻址，下条指令下条指令EA=(PC)+EA=(PC)+“1 1”； 跳跃寻址跳跃寻址用于转移型指令的下条指令寻址用于转移型指令

17、的下条指令寻址 直接寻址直接寻址，下条指令下条指令EA=(EA=(地址码地址码) )； 相对寻址相对寻址，下条指令下条指令EA=(PC)+EA=(PC)+偏移量；偏移量；显式显式 隐含寻址隐含寻址，下条指令下条指令EA=(EA=(栈顶栈顶) )或或( (特定部件特定部件) )6182 2、数据寻址方式、数据寻址方式 * *目标：目标：缩短缩短指令中地址码长度，指令中地址码长度，方便方便编译程序生成代码编译程序生成代码 * *地址码：地址码：由部件及地址形成方式类型、地址形成参数组成由部件及地址形成方式类型、地址形成参数组成(1)(1)立即寻址方式立即寻址方式 常数操作数常数操作数为为形式地址本

18、身形式地址本身，即操作数存放在指令中。，即操作数存放在指令中。(2)(2)寄存器寻址方式寄存器寻址方式 REGREG操作数地址操作数地址为为形式地址本身形式地址本身，即数据，即数据REGREG编号。编号。操作数操作数数据寄存器数据寄存器数据数据REGREG号号操作码操作码 F2 AF2 A操作数操作数=(A)=(A)寻址方式位寻址方式位I I 形式地址形式地址A A地址码组成：地址码组成：操作数或地址：操作数或地址：= =函数函数( (寻址方式位寻址方式位I I，形式地址，形式地址A)A)21操作码操作码 F1 AF1 A操作数操作数=A=A操作数操作数19(3)(3)直接寻址方式直接寻址方式

19、 主存操作数主存操作数EAEA为为形式地址本身形式地址本身，即程序逻辑地址。，即程序逻辑地址。(4)(4)间接寻址方式间接寻址方式 主存操作数主存操作数EAEA为为形式地址对应的形式地址对应的MEMMEM内容内容。 程序段程序段主存主存 操作数操作数逻辑地址逻辑地址操作码操作码 F3 AF3 A操作数操作数EAEA=A=A主存主存逻辑地址逻辑地址操作数操作数A A操作数操作数EAEA=A=A=A=A操作码操作码 F4 AF4 A 注：注：主存操作数寻址方式主存操作数寻址方式多数可用作多数可用作指令寻址方式指令寻址方式 注：注：因需要因需要2 2次访存次访存，很少使用，很少使用( (适合于指向指

20、针的指针操作适合于指向指针的指针操作) )20(5)(5)寄存器间接寻址方式寄存器间接寻址方式 主存操作数主存操作数EAEA为形式地址对应的为形式地址对应的地址地址REGREG内容内容。 A A地址寄存器地址寄存器地址地址REGREG号号操作码操作码 F5 AF5 A操作数操作数EAEA=(A)=(A)程序段程序段主存主存 操作数操作数(6)(6)基址寻址方式基址寻址方式 主存操作数主存操作数EAEA为为基址基址REGREG内容加上形式地址内容加上形式地址的结果。的结果。 注：注：地址地址REGREG包含包含基址基址REGREG和和变址变址REGREG两种类型；两种类型； 基址寻址基址寻址对存

21、储管理特别有效对存储管理特别有效( (基址基址REGREG不变不变) )F6 B F6 B A A操作数操作数EAEA=(B)+A=(B)+A操作码操作码程序段程序段主存主存操作数操作数 地址地址A A基址寄存器基址寄存器基址基址REGREG基址基址REGREG号号2421(8)(8)相对寻址方式相对寻址方式 主存中指令主存中指令EAEA为为PCPC内容加上偏移量内容加上偏移量的结果。的结果。PCPC寄存器寄存器XXXX操作码操作码 F8 AF8 A指令指令EAEA=(PC)+A=(PC)+A程序段程序段主存主存下条指令下条指令(7)(7)变址寻址方式变址寻址方式 主存操作数主存操作数EAEA

22、为为变址变址REGREG内容加上形式地址内容加上形式地址的结果。的结果。F7 I AF7 I A操作数操作数EAEA=(I)+A=(I)+A操作码操作码数据段数据段主存主存操作数操作数 地址地址A A变址寄存器变址寄存器起址起址A A变址变址REGREG号号22(9)(9)隐含寻址方式隐含寻址方式 操作数地址操作数地址由由指令操作码指令操作码隐含约定隐含约定，与地址码无关。，与地址码无关。 * *隐含方式：隐含方式：操作数操作数隐含在某隐含在某REGREG中中； 如如：(a)(a)基于累加器基于累加器CPUCPU中，指令中，指令AC(AC)+MAC(AC)+M隐含隐含ACAC (b) (b)顺

23、序型指令的下条指令顺序型指令的下条指令EA=(PC)+1EA=(PC)+1隐含隐含PCPC 操作数操作数/ /操作数地址操作数地址/ /指令地址指令地址隐含为堆栈中隐含为堆栈中。 如如：(a)(a)常用堆栈传递过程调用的参数，常用堆栈传递过程调用的参数， (b)(b)调用调用/ /返回指令的下条指令地址返回指令的下条指令地址23 例例某计算机主存按字节编址、有符号定点数采用原码编码，某计算机主存按字节编址、有符号定点数采用原码编码，有基址有基址REGREG和变址和变址REGREG各各1 1个个( (分别记为分别记为RBRB和和RI)RI)，单地址指令格式，单地址指令格式如右图所示，设如右图所示

24、，设(RB)=0037H(RB)=0037H、(RI)=1122H(RI)=1122H、(PC)=1234H(PC)=1234H，请计算，请计算MEMMEM中指令内容为中指令内容为4428H 4428H 2244H 2244H 1392H 1392H 3592H3592H的操作数或的操作数或EAEA。 解解指令字指令字= =01000100 01010000 00100010 1000B1000B， 指令字指令字= =00100010 00001010 01000100 0100B0100B，基址寻址，基址寻址(A=44H)(A=44H)， 指令字指令字= =00010001 00001111

25、 1 1001001 0010B0010B，变址寻址，变址寻址(A=92H)(A=92H)， 指令字指令字= =00110011 01010101 10011001 0010B0010B，相对寻址，相对寻址(A=92H)(A=92H)，OPOP F A F A15 10 9 8 7 015 10 9 8 7 0F=00F=00为立即寻址，为立即寻址，0101为相对寻址为相对寻址 1010为基址寻址，为基址寻址，1111为变址寻址为变址寻址 操作数操作数 原原=A=28H=A=28H； 操作数操作数EA=(RB)+A=0037H+44H=007BHEA=(RB)+A=0037H+44H=007B

26、H； 操作数操作数EA=(RI)+A=1122H+92H=1110HEA=(RI)+A=1122H+92H=1110H； 转移目标指令转移目标指令EA=(PC)+DSP=(1234H+2)-12H=1224HEA=(PC)+DSP=(1234H+2)-12H=1224H。2627244.3 4.3 指令格式举例指令格式举例一、指令格式目标一、指令格式目标1 1、指令格式的目标、指令格式的目标 * *对硬件有较好的支持：对硬件有较好的支持：有助于减少有助于减少译码时间译码时间 * *对软件有较好的支持：对软件有较好的支持：有助于减少有助于减少指令数指令数及及指令长度指令长度 减少指令数减少指令数

27、指令功能强、地址码个数多，地址范围大、指令功能强、地址码个数多，地址范围大、 寻址方式多、对称性好等，寻址方式多、对称性好等， 缩短指令长度缩短指令长度地址码个数少、范围小，冗余空间小等；地址码个数少、范围小，冗余空间小等； 减少译码时间减少译码时间指令格式规整、地址码并行译码、指令格式规整、地址码并行译码、 操作数地址形成简单等。操作数地址形成简单等。252 2、指令格式优化方法、指令格式优化方法 指令格式目标的矛盾指令格式目标的矛盾软件目标软件目标硬件目标硬件目标 减少指令数减少指令数缩短指令长度缩短指令长度 采用扩展操作码编码方式；采用扩展操作码编码方式； * *遵循大概率事件优先原则：

28、遵循大概率事件优先原则：利于提高性能利于提高性能/ /价格价格 可以减少指令数、缩短指令长度，减少译码时间可以减少指令数、缩短指令长度，减少译码时间 高频率操作高频率操作( (或数据类型等或数据类型等) )才采用硬件才采用硬件( (机器指令机器指令) )实现；实现； 根据每种操作相关参数的使用频率，确定该操作的地址根据每种操作相关参数的使用频率，确定该操作的地址码个数、寻址方式、地址范围等码个数、寻址方式、地址范围等26二、二、PentiumPentium指令系统指令系统1 1、寻址方式、寻址方式 共支持共支持9 9种种寻址方式寻址方式，多数指令，多数指令使用多种使用多种寻址方式。寻址方式。寻

29、址方式寻址方式操作数或地址操作数或地址操作数存放部件操作数存放部件立即寻址立即寻址操作数操作数= =指令中立即数指令中立即数IRIR中中寄存器寻址寄存器寻址操作数操作数=(R)=(R)寄存器中寄存器中直接寻址直接寻址EA=AEA=A存储器中存储器中基址寻址基址寻址( (含变址寻址含变址寻址) )EA=(B)EA=(B)，或，或EA=(I)EA=(I)基址基址+ +偏移寻址偏移寻址EA=(B)+AEA=(B)+A，或，或EA=(I)+AEA=(I)+A基址基址+ +变址变址+ +偏移寻址偏移寻址EA=(B)+(I)+AEA=(B)+(I)+A比例变址比例变址+ +偏移寻址偏移寻址EA=(I)EA

30、=(I)S+AS+A基址基址+ +比例变址比例变址+ +偏移寻址偏移寻址 EA=(B)+(I)EA=(B)+(I)S+AS+A相对寻址相对寻址EA=(EIP)+AEA=(EIP)+A说明：说明：通用寄存器通用寄存器RREAXEAX、EBXEBX、ECXECX、EDXEDX、ESPESP、EBPEBP、ESIESI、EDIEDI；基址寄存器基址寄存器BBEBXEBX、EBPEBP；变址寄存器变址寄存器IIESIESI、EDIEDI； AA偏移地址或偏移量；偏移地址或偏移量；EIPEIP程序计数器；程序计数器；SS比例因子比例因子27三、三、Power PCPower PC指令系统指令系统1 1、

31、寻址方式、寻址方式 共支持共支持6 6种寻址方式，多数指令种寻址方式，多数指令只使用只使用1 12 2种种。 可简化硬件设计可简化硬件设计寻址方式寻址方式操作数或地址操作数或地址应用指令类型应用指令类型存放部件存放部件立即寻址立即寻址操作数操作数= =指令中立即数指令中立即数 算逻指令算逻指令IRIR中中寄存器寻址寄存器寻址操作数操作数=(R)=(R)算逻指令算逻指令寄存器中寄存器中绝对寻址绝对寻址EA=AEA=A转移指令转移指令存储器中存储器中相对寻址相对寻址EA=(PC)+AEA=(PC)+A转移指令转移指令间接寻址间接寻址EA=(B)+AEA=(B)+A转移指令、装入指令转移指令、装入指

32、令间接变址寻址间接变址寻址 EA=(B)+(I)EA=(B)+(I)装入指令装入指令说明：说明：通用寄存器通用寄存器RR共共3232个；个； 基址寄存器基址寄存器BB3232个通用寄存器中任意一个；个通用寄存器中任意一个； 变址寄存器变址寄存器II3232个通用寄存器中任意一个。个通用寄存器中任意一个。284.4 4.4 指令系统发展指令系统发展 系统性能系统性能/ /价格与指令系统：价格与指令系统： 软硬件与指令系统：软硬件与指令系统：指令系统是软硬件的主要交界面；指令系统是软硬件的主要交界面；指令系统指令系统CISCCISCRISCRISC 降低价格降低价格减少减少程序中指令数量程序中指令

33、数量； 增加增加指令的功能及种类指令的功能及种类 提高性能提高性能提高提高指令的执行速度指令的执行速度。减少减少指令的功能及种类指令的功能及种类29一、一、CISCCISC的指令系统的指令系统 (Complex Instruction Set Computer)(Complex Instruction Set Computer) * *CISCCISC指令系统的目标：指令系统的目标： 侧重强化指令功能侧重强化指令功能，以减少目标代码空间，以减少目标代码空间 * *CISCCISC指令系统的应用特点：指令系统的应用特点： 程序目标代码空间较小；编译程序的设计复杂；程序目标代码空间较小；编译程序的设计复杂； 指令的实现控制复杂，不利于指令的实现控制复杂，不