计算机原理计原课件3-1指令系统

1、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 指令系统的发展裸机软件指令系统指令系统概述计算机的指令按计算机组成的层次结构可分为微指令是微程序级的命令，属于硬件宏指令是由若干条机器指令组成的软件指令，属于软件机器指令（指令）介于微指令与宏指令之间，每条指令可完成一个独立的算逻运算操作指令指计算机执行某些操作的命令。指令系统一台计算机中所有指令的集合。指令系统在计算机系统中的地位它是表征计算机性能的重要因素它直接影响到硬件结构、系统软件和机器的适用范围是硬件和软件间的界面。指令系统的发展年代硬件发展指令系统1950至60年代分立元件(晶体管或电子管

2、)硬件结构简单只有十几至几十条最基本的指令，定点加、减法，逻辑运算，转移指令和传送指令1960年代中、后期集成电路的出现，硬件功能增加指令系统越来越丰富(100200条)出现系列计算机，它可解决软件兼容问题1970年代VLSI指令系统越来越庞大（200300条）高级语言成为主要程序设计语言，出现复杂指令系统计算机CISC、精简指令系统计算机RISC3.1 指令格式机器指令是用机器字来表示的表示一条指令的机器字称为指令字（简称指令）指令格式是指令字用二进制代码表示的结构形式，操作码（Operation Code）字段表征指令的操作特性与功能地址码（Address Code）字段通常用来指定参与操

3、作的操作数或操作数地址操作码地址码按地址码的数量，指令格式分为四地址指令： (A1) OP (A2)A3, A4=下条指令地址三地址指令： (A1) OP (A2)A3二地址指令 (A1) OP (A2)A1一地址指令 OP (A1)A1 或 (AC) OP (A1)Ac零地址指令 地址码结构OPA1A2A3OPA1A2OPA1OPAC为累加器OPA1A2A3A4地址个数的选取需考虑的因素缩短程序长度用户使用方便，增加操作并行度等方面来看，选用三地址指令格式较好；缩短指令长度减少访存次数，简化硬件设计等方面来看，一地址指令格式较好。解决同一个问题的程序长度用三地址指令编写的程序最短，但指令长度

4、最长，用二、一、零地址指令来编写程序，程序的长度一个比一个长，但指令的长度一个比一个短。操作码操作码表示该指令进行什么性质的操作表征指令的操作特性与功能。 操作码所占的二进制位数决定了一台计算机所能允许的指令条数。如操作码占用六位二进制码时，这台计算机最多允许有： 2664 条指令操作码地址码规整型（定长编码）操作码的位数固定不变，而且集中放在指令字的一个字段中。设指令系统共有m条指令，操作码字段的位数为N位，则有： Nlog2 m特点 有利于简化硬件设计，减少指令译码时间，但存在着信息冗余。 广泛用于字长较长的大、中型计算机和超级小型计算机中操作码的编码操作码地址码定长编码的指令格式举例如：

5、IBM370和VAX11系列机中, 操作码的长度都是8位，可表示256条指令，但实际仅有183条指令。OPOPOPOPOP 非规整型（变长编码）是操作码扩展技术的应用，即操作码的长度是可变的，且分散地放在指令的不同字段中。特点有利于压缩程序中操作码的平均长度，操作码字段的位数和位置不固定将增加指令译码和分析的难度，使控制器的设计复杂化。 在字长较短的小、微型机中被广泛应用。如：PDP11（字长16位），其操作码的长度均是可变的。操作码的编码操作码地址码变长编码的指令格式举例如：PDP11（字长16位），其操作码的长度均是可变的。OPOPOPOPOPOPOPOP操作码扩展技术这是一个16位字长的

6、指令码，包括4位基本操作码字段三个4位长的地址字段。4位基本操作码若全部用于三地址指令，则有16条。显然，4位基本操作码是不够的，必须向地址码字段扩展操作码的长度。OPA1A2A3 4位 4位 4位 4位操作码扩展技术0000A1A2A30001A1A2A31110A1A2A31111A1A2A3OPA1A2A34位基本操作码若全部用于三地址指令，则有16条。15条三地址指令的操作码由4位基本操作码00001110所给定剩下一个1111则用于把操作码扩展到A1地址码字段，即由4位扩展到8位1111为区分非三地址码指令的标志1111操作码扩展技术OPOP1A2A311110000A2A31111

7、0001A2A311111110A2A31111111115条二地址指令的操作码由8位操作码1111000011111110所给定剩下一个11111111则用于把操作码扩展到A2地址码字段，即由8位扩展到12位11111111为区分非二地址码指令的标志已有15条三地址指令1111操作码扩展技术OPOP1OP2A3111111110000A3111111110001A3111111111110A3111111111111已有15条三地址指令， 15条二地址指令。15条一地址指令的操作码由12位操作码111111110000111111111110所给定剩下一个111111111111则用于把操作

8、码扩展到A3地址码字段，即由12位扩展到16位111111111111为区分非一地址码指令的标志1111操作码扩展技术OPOP1OP2OP31111111111110000111111111111000111111111111111101111111111111111扩展后，共有15条三地址指令， 15条二地址指令，15条一地址指令，16条零地址指令，共61条。16条零地址指令的操作码由16位操作码11111111111100001111111111111111所给定操作码扩展技术15条三地址指令0000 XXXX YYYY ZZZZ1110 XXXX YYYY ZZZZ111115条二地址指

9、令1111 0000 XXXX YYYY1111 1110 XXXX YYYY1111 111115条一地址指令1111 1111 0000 XXXX1111 1111 1110 XXXX1111 1111 111116条零地址指令1111 1111 1111 00001111 1111 1111 1111扩展窗口扩展窗口扩展窗口OPA1A2A3操作码扩展技术某计算机为定长指令字结构,有二、一、零地址指令3类若已知二地址指令已有K种，零地址指令有L种问：一地址指令最多可能有多少种？上述3类指令各自允许的最大指令条数是多少？OPA1A2 4位 6位 6位 OPAOPMAX二地址指令=24-1MAX一地址指令=(24-1)26-1MAX零地址指令=216-212-26一地址指令最多可能有操作码扩展技术特点：在指令长度不变的情况下，增加了指令数量，丰富了指令功能。若