计算机原理计原课件指令系统

1、复习思考题7根据操作数所在的位置，指出下列寻址方式：操作数在寄存器中，为寄存器寻址方式；操作数地址在寄存器中，为寄存器间接寻址方式；操作数在指令中，为立即寻址方式；操作数的地址在指令中，为直接寻址方式；操作数地址为某寄存器与位移量之和，则可以是变址、基址和相对寻址方式。立即寻址方式获得数据的速度最快。页面寻址方式获得数据的速度最慢。求指令所能访问的最大主存区域某小型机字长为16位，其双操作数指令格式如下：(1) A为立即数(2) A为直接主存单元地址(3) A为间接地址(4) A为变址寻址的形式地址，设变址寄存器为RAROP15 10 9 8 7 0 1个机器字28=256个机器字216=64

2、K 个机器字操作码可指定26=64条指令216=64K 个机器字通用寄存器地址第3章 指令系统3.1 指令格式3.2 寻址技术3.3 堆栈与堆栈操作3.4 指令类型3.5 指令系统的发展3.3 堆栈与堆栈操作堆栈是一种按特定顺序进行存取的存储区特点“后进先出”（LIFO）或“先进后出”（FILO）寄存器堆栈(硬堆栈)由一组专门的寄存器构成栈顶是固定的各寄存器间是相互连接的，它们之间具有对应位自动推移的功能，即可将一个寄存器的内容推移到相邻的另一个寄存器中去。堆栈存储器堆栈（软堆栈） 从主存中划出一段区域来作堆栈，堆栈的大小可变，栈底固定，栈顶浮动，需要一个专门的寄存器作为堆栈栈顶指针SP(栈指

3、针)。栈指针所指定的主存单元，就是堆栈的栈顶。 高地址低地址堆栈区自底向上生成方式的堆栈堆栈的栈底地址大于栈顶地址，通常栈指针始终指向栈顶的满单元。SP堆栈操作进栈操作SP的内容需先自动减1，然后再将数据压入堆栈。 20001FFF(SP)-1SP 修改栈指针(A)(SP) 将A中的数据压入堆栈SP2000A2000原栈顶单元现栈顶单元1FFF注意 PUSH A堆栈操作出栈操作需要先将堆栈中的数据弹出，然后SP的内容再自动加1。 2000(SP)A 将栈顶内容弹出，送入A中(SP)+1SP 修改栈指针SP1FFFA1FFF原栈顶单元现栈顶单元1FFF2000注意 POP A堆栈操作在一般计算机

4、中，堆栈主要用来暂存中断断点子程序调用时的返回地址、状态标志及现场信息等、子程序调用时参数的传递，所以用于访问堆栈的指令只有进栈（压入）和出栈（弹出）两种。在堆栈计算机（如HP-3000、B5000等）中，没有一般计算机中必备的通用寄存器因此堆栈就成为提供操作数和保存运算结果的唯一场所。堆栈操作算术逻辑表达式的表示方法中缀式，如：AB + CD前缀式（波兰表达式）如：+ AB CD后缀式（逆波兰表达式）如：AB CD+此表达方式可方便堆栈计算机运算： PUSH A ；将A压入堆栈 PUSH B ；将B压入堆栈 MUL ；完成AB PUSH C ；将C压入堆栈 PUSH D ；将D压入堆栈 DI

5、V ；完成CD ADD ；完成AB+ CD POP X ；将结果存入X单元栈指针栈底SPALU3.4 指令的类型数据传送类指令一般传送，堆栈操作，数据交换指令运算类指令算术运算，逻辑运算，移位指令程序控制类指令转移，子程序调用，返回指令I/O类指令其他指令指令系统举例PDP-11指令系统PDP-11是一个具有8个寄存器(R0 R7)、16位字长的小型计算机。其中，R0 R5为通用寄存器，R7是程序计数器PC，R6是栈指针SP。指令系统举例8086/8088指令系统Intel 8086指令系统共有117条基本指令，每条指令16B不等有6类指令 数据传送类指令 算术运算类指令 位操作类指令 串操作

6、类指令 控制转移类指令 处理机控制类指令有10种寻址方式 立即寻址 直接寻址 寄存器寻址 寄存器间接寻址 变址寻址 基址寻址 相对变址寻址 相对基址寻址 基址变址寻址 相对基址变址寻址指令系统举例8086/8088指令系统OPOPMODOPDATA/DISP8OPMODOPDATA16 / DISP16OPMODOPMODOPMODOPMODOPOPMODDATA/DISP8DATA8DISP8DATA16 / DISP16DISP16DATA8DISP8DATA16DATA16SEG16DATA16DISP163.5 指令系统的发展CISCComplex Instruction Set Co

7、mputer复杂指令集计算机传统计算机的设计思想随着系列机的问世，指令系统的条数越来越多体现了计算机性能越高，其指令系统越复杂的传统设计思想。这类计算机称为“复杂指令集计算机”CISC使指令系统越来越复杂的出发点使目标程序得到优化给高级语言提供更好的支持提供对操作系统的支持 从计算机的发展过程来看，指令系统是随着计算机体系结构的完善发展起来的。 早期的计算机结构简单, 指令条数少, 指令系统功能弱, 计算机的性能较差。 随着VLSI技术的迅速发展，硬件成本不断下降，软件成本不断上升，促进人们在指令系统中增加更多的指令和更复杂的指令，以适应不同应用领域的需要。 特别是系列机问世之后，为了能做到程

8、序兼容，新设机型或高档机除了要继承老机器的指令系统中的全部指令外，还要增加若干新的指令，从而导致同一系列计算机的指令系统越来越复杂，机器结构也越来越复杂。1.RISC产生的时代背景RISC的产生和发展情况（说明）CISC的问题CISC引起的问题庞大的指令集纷繁复杂的寻址模式硬件实现复杂（硬件资源的利用率低） CISC机器造成的后果机器开发成本高结构复杂速度慢前一页的说明从计算机的发展过程来看，指令系统是随着计算机体系结构的完善发展起来的。 目前，大多数计算机的指令系统多到几百条指令 VAX11/780计算机有303条指令，18种寻址方式； Pentium机有191条指令，9种寻址方式。RISC

9、的提出1975年HP公司对IBM370计算机的高级语言所作的运行统计，分析表明“20-80定律” 能否用 20% 的简单指令组合不常用的80% 的指令功能？1975年提出“精简指令集计算机”，简称RISC（Reduced Instruction Set Computer）。占指令系统在程序中出现的频率备注 常用 指令20%80%传送、转移、测试、比较，1指令等不常用指令80%20%其他RISC的特点RISC计算机的特点减小代码空间但不是简单地简化指令系统，而是通过简化指令使计算机的结构更加简单合理，从而提高机器的性能。RISC的主要特征选取使用频率最高的一些简单指令，指令条数少；每周期执行一条

10、指令只有取数存数指令访问存储器，其余指令的操作为寄存器-寄存器操作简单的寻址方式简单的指令格式：长度固定，格式种类少采用RISC技术后，由于指令系统简单，CPU的控制逻辑大大简化，芯片上可设置更多的通用寄存器，指令系统也可以采用速度较快的硬连线逻辑来实现，且更适合于采用指令流水技术，这些都可以使指令的执行速度进一步提高。 指令数量少，固然使编译工作量加大，但由于指令系统中的指令都是精选的，编译时间少，反过来对编译程序的优化又是有利的。 前一页说明RISC指令系统举例SPARCSPARC为SUN公司生产的32位RISC处理器共89条指令，分为6大类算逻运算、取数/存数、控制转移、R/W专用寄存器

11、、浮点运算、协处理器指令。共有4种寻址方式立即寻址、寄存器寻址、寄存器间接寻址、自相对寻址。共有三种指令格式调用子程序指令，转移类指令和其他指令RISC指令系统举例SPARCOPDISP 2 30OP1ROP2Imm 2 5 3 22OP1aCondOP2DISP 2 1 4 3 22 OP1ROP3Rs1iAs1As2 2 5 6 5 1 8 5OP1ROP3Rs1iSmm 2 5 6 5 1 13OP1ROP3Rs1OPfAs2 2 5 6 5 8 5 子程序调用指令转移类指令其他指令RISC指令系统举例SPARC精简后，部分原指令的替代实现指令功能替代指令实现( R0 0 )MOVE寄存

12、器间传送ADDR0+RsRdINC+1ADDRs + 1RdDEC-1SUBRs - 1RdNEG取负数SUBR0 - RsRdNOT取反码XOR-1Rs RdCLR清零ADDR0+R0 RdRISC和CISC 的比较RISC更能 充分利用 VLSI 芯片的面积 RISC 更能 提高计算机运算速度指令数、指令格式、寻址方式少，通用寄存器多采用组合逻辑实现控制，便于实现指令流水RISC 便于设计，可降低成本，提高可靠性RISC 有利于编译程序代码优化RISC 不易 实现 指令系统兼容CISC和RISCRISC计算机的特点不是简单地简化指令系统而是通过简化指令使计算机的结构更加简单合理，从而提高机器的性能CISC与RISC之争指令数量少，固然使编译工作量加大，但由于指令系统中的指令都是精选的，编译时间少，反过来对编译程序的优化又是有利的。只是难点为编写高质量的软件。比较有名的是RISC计算机有： IBM