计算机组成原理-第11讲(第4章)

1、Shenyang Institute of Aeronautical Engineering0第四章 指令系统4.1 指令的发展与性能要求指令的发展与性能要求4.2 指令格式指令格式4.3 指令码的扩展指令码的扩展4.4 指令和数据的寻址方式指令和数据的寻址方式4.5 RISC与与CISCShenyang Institute of Aeronautical Engineering1 硬件计算机系统 软件 硬件：由中央处理机、存储器以及外部设备等组成的实际装置。软件：为便于用户使用计算机而编写的各种程序，最终转换成 一系列机器指令后在计算机上执行。指令系统决定了计算机的基本功能。 4.1指令的发

2、展与性能要求Shenyang Institute of Aeronautical Engineering2计算机程序一系列一系列 指令指令 的有序集合。的有序集合。指令是计算机执行某种操作的命令。指令是计算机执行某种操作的命令。 指 令微指令宏指令机器指令微程序级的命令，属硬件范畴。微程序级的命令，属硬件范畴。由若干机器指令组成的软件指令，属软件。由若干机器指令组成的软件指令，属软件。介于微指令与宏指令之间，一条机器指令介于微指令与宏指令之间，一条机器指令可完成一个独立的算术运算或逻辑运算操作可完成一个独立的算术运算或逻辑运算操作指令系统 一台计算机中所有机器指令的集合，称为一台计算机中所有机

3、器指令的集合，称为这台计算机的指令系统。这台计算机的指令系统。指令指令指令系统的概念Shenyang Institute of Aeronautical Engineering3完善的计算机的指令系统应具备：完备性：完备性：至少包含最基本的、必不可少的指令。至少包含最基本的、必不可少的指令。有效性：有效性：利用该指令系统所提供的指令编制的程序能够产生利用该指令系统所提供的指令编制的程序能够产生 高效率。占用存储空间小、执行速度快高效率。占用存储空间小、执行速度快兼容性：兼容性：兼容性一般是指计算机的体系结构设计基本相同，兼容性一般是指计算机的体系结构设计基本相同， 机器之间具有相同的基本结构、

4、数据表示和共同的基机器之间具有相同的基本结构、数据表示和共同的基 本指令集合。本指令集合。指令系统的性能要求Shenyang Institute of Aeronautical Engineering44.2指令格式操作码操作数地址操作结果的存储地址下一条指令的地址执行程序 执行指令输入数据执行的操作输出结果数据的来源执行的操作结果的去向一条指令包含的内容Shenyang Institute of Aeronautical Engineering5操作码：操作码：指明本条指令所要完成的操作。指明本条指令所要完成的操作。每条指令被分配一个确切的操作码（唯一性每条指令被分配一个确切的操作码（唯一性

5、)。必须具备的条件：必须具备的条件： 每条指令都要求它的操作码必须是独一无二的每条指令都要求它的操作码必须是独一无二的 指令系统中指令的个数指令系统中指令的个数N与操作码与操作码的位数的位数n， 必须满足关系式：必须满足关系式：N2n操作码操作码OP地址码地址码A（操作数）（操作数）指令结构指令结构指令格式Shenyang Institute of Aeronautical Engineering6地址码：地址码：指明该指令的操作数据或操作数的主存地址指明该指令的操作数据或操作数的主存地址 或寄存器地址或寄存器地址。指令的长度：指令的长度： 操作码的位数操作码的位数+(+(操作数地址个数操作数

6、地址个数) )* *( (操作数地址码位数操作数地址码位数) ) 操作码操作码OP地址码地址码A（操作数）（操作数）指令结构指令结构指令格式Shenyang Institute of Aeronautical Engineering7指令中的地址码三地址指令OP码A1A2A3二地址指令OP码A1A2一地址指令OP码A零地址指令OP码Shenyang Institute of Aeronautical Engineering8三地址指令 指令中含有三个操作数（地址码）。指令中的地址码OP码A1A2A3相关说明：（1）A1和A2运算完以后的结果存入A3。 操作形式: (A1)OP(A2)A3（2）

7、设指令和数据存放位置如右， 忽略其它因素 (A1)ADD(A2)A3 分析指令执行所需要的访存次数 共需访存4次结果结果指令指令下一指令下一指令第一操作数第一操作数第二操作数第二操作数050H1F0H230H3C8HShenyang Institute of Aeronautical Engineering9指令中的地址码二地址指令 指令中包含一个操作码和两个地址码。 也称为双操作数指令。指令助记符指令助记符MOV AL,04MOV AX,04OP码A1A2相关说明：（1）A1既是源操作数，又是目标操作数，运算完毕后的结果存入A1，A1可能是存储器地址，也可能是寄存器号。 操作形式: (A1)

8、OP(A2)A1Shenyang Institute of Aeronautical Engineering10指令中的地址码一地址指令 顾名思义，指令中只有一个操作码和一个地址码。 指令中给出的一个地址既是操作数的地址，又是操作结果 的存储地址。如加1、减1、移位等单操作数指令。也称为单操作数指令。 操作形式：OP(A)A 或者: (AC) OP (A) A指令助记符指令助记符INC AXINC BXShenyang Institute of Aeronautical Engineering11指令中的地址码零地址指令 指令中只有一个操作码，而无地址码。这种指令有两种可能：（1）无需任何操作

9、数。如空操作指令，停机指令等。（2）所需的操作数是默认的：某些堆栈操作指令。指令助记符指令助记符HLTNOPShenyang Institute of Aeronautical Engineering12指令助记符操作码操作码OP地址码地址码A（操作数）（操作数）纯二进制表示，记忆麻烦。用英文单词来表示相应功能的指令，这些英文单词称为指令助记符。1101110000011010001Shenyang Institute of Aeronautical Engineering13指令助记符典型指令典型指令指令助记符指令助记符二进制操作码二进制操作码加法ADD001减法SUB010传递MOV011

10、跳转JMP100转子程序JSR101存数STO110取数LAD111设指令系统仅有7条指令。Shenyang Institute of Aeronautical Engineering14 机器字长：计算机能直接处理的二进制数据的位数 按计算机的发展，从8位16位发展到32位和64位 决定计算机的运算精度。 地址码部分决定了指令的直接寻址能力。 若为n位，则能直接寻址2n字节。 早期计算机字长较短，采用下列方式提高寻址能力增加机器字长以增加地址码长度，直接提高采用地址扩展技术。存储空间分段，用基地址加上位移量来增加地址码长度机器字长与指令字长的关系Shenyang Institute of A

11、eronautical Engineering15指令的长度： 操作码的位数+(操作数地址个数)*(操作数地址码位数) 存储器能直接访问的最小单位为字节，为了充分利用存储器指令的长度通常为字节的整数倍。 指令的长度与机器字长之间有没有固定关系？无固定关系。指令可以短于机器字长，也可以比其长。短指令格式：访存少，有利于提高运行速度，用于执行频率较 高的指令。长指令格式：访存时间长，用于较为复杂的指令。机器字长与指令字长的关系Shenyang Institute of Aeronautical Engineering16地址个数多地址个数多指令长，一条指令功能较为强大，可以缩短程序长度指令长，一条

12、指令功能较为强大，可以缩短程序长度地址个数少地址个数少指令短，一条指令完成功能较少，程序长度较长，单条指令指令短，一条指令完成功能较少，程序长度较长，单条指令访存次数也可以相应减少，硬件设计可以得到简化访存次数也可以相应减少，硬件设计可以得到简化ADD A1 ，A2，A3ADD A1，A2MOV A3，A1地址个数对程序和指令长度的影响Shenyang Institute of Aeronautical Engineering174.3指令码的扩展 指令操作码的长度决定了指令系统中完成不同操作的指令条数。设操作码有n位， 则指令条数最多为2n条OP编码方式固定格式 操作码长度固定，集中放在一个

13、字段可变格式 OP长度可变，分散放在指令的不同字段中Shenyang Institute of Aeronautical Engineering18可变格式一：Huffman编码 Huffman编码的原则： 对使用频度较高的指令，分配较短的操作码字段； 对使用频度较低的指令，分配较长的操作码字段。若采用自由可变长的huffman编码，势必使得操作码的译码困难。 指令的长度有限，当地址码的数目确定后，操作码的变长受其限制。Shenyang Institute of Aeronautical Engineering19问题的提出 某机器的指令长度为16位，包括4位基本操作码和三个4位地址字段。 若

14、三地址指令仅需15条，两地址指令需15条，一地址指令需15条，零地址指令需16条，共61条指令，应如何安排操作码？61条指令，若采用固定长度编码，则操作码至少需要6位， 当前只给定了4位，即使扩展成6位，也无法满足三地址指令的需要可变格式二：指令操作码扩展技术Shenyang Institute of Aeronautical Engineering20可能性 若指令长度固定，地址码个数不同，操作码的长度也不同。ADD A,B,CMOV A,BINC AHALT可变格式二：指令操作码扩展技术Shenyang Institute of Aeronautical Engineering21操作码的

15、扩展需要兼顾指令条数和地址码的个数OPA1A2AnOPA1A2AnO PA2AnOPAn 指令扩展的要点：指令扩展的要点：操作码位数随地址码个数变化采取可变长度的类型；操作码位数随地址码个数变化采取可变长度的类型；不允许短操作码是长操作码的一部分，以保证指令间指令码不允许短操作码是长操作码的一部分，以保证指令间指令码 一定不重复；一定不重复；根据需要灵活变通，但操作码长度为有限几种。根据需要灵活变通，但操作码长度为有限几种。可变格式二：指令操作码扩展技术Shenyang Institute of Aeronautical Engineering22例如：某机器的指令长度为16位，包括4位基本操

16、作码和三个4位地址字段。 若三地址指令仅需15条，两地址指令需15条，一地址指令需15条，零地址指令需16条，共61条指令，应如何安排操作码？15条15条15条16条可变格式二：指令操作码扩展技术Shenyang Institute of Aeronautical Engineering2315条15条15条16条4位4位4位4位OPA3A2A1OPOPA1OP00001110 1111留作扩展留作扩展A3A2A11111000011111110 11111111留作扩展留作扩展A1A2A2A1111111110000111111111110 111111111111留作扩展留作扩展A1111

17、11111111100001111111111111111为了缩短指令的平均长度，应用频率比较高的指令应该分配较短的操作码。确保指令码的唯一性；可变格式二：指令操作码扩展技术Shenyang Institute of Aeronautical Engineering24特点：能充分利用指令字的各个字段；在不增加指令长度的情况下扩展操作码的长度，能表示更多的指令。可变格式二：指令操作码扩展技术Shenyang Institute of Aeronautical Engineering25实例 实际的机器中，比较成功的为B-1700机，该机指令的操作码字段有4位，6位和10位三种长度。Shenya

18、ng Institute of Aeronautical Engineering26 课堂练习 例如：某机器的指令长度为16位，包括4位基本操作码和三个4位地址字段，4位基本操作码有16个码点，若全部用于表示三地址指令，则只有16条。 若三地址指令仅需15条，两地址指令需14条，一地址指令需31条，零地址指令需16条，共76条指令，应如何安排操作码？Shenyang Institute of Aeronautical Engineering27小结 指令的出现与发展 指令的格式，操作码和地址码的含义 指令操作码的扩展方法和意义Shenyang Institute of Aeronautical Engineering人有了知识，就会具备各种分析能力，人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说古人说