计算机组成与体系结构 课件 08指令系统与汇编语言

指令系统与汇编语言计算机组成与体系结构指令系统在计算机中的地位一台计算机的功能是通过它的指令系统体现出来的指令系统也是设计一台计算机的需求说明指令系统决定了一台计算机的硬件结构指令和指令系统程序由一个序列的计算机指令组成。指令是计算机运行的最小的功能单元，是指挥计算机硬件运行的命令，是由多个二进制位组成的位串，是计算机硬件可以直接识别和执行的一个信息体一台计算机提供的全部指令构成该计算机的指令系统指令系统是表征一台计算机性能的重要因素，它的格式与功能不仅直接影响到机器的硬件结构，而且也直接影响到系统软件，影响到机器的适用范围指令系统的要求完备性：指令齐全，编程方便规整性：格式与运算规则统一对称性：在指令系统中所有的寄存器和存储器单元都可同等对待，所有的指令都可使用各种寻址方式匀齐性：一种操作性质的指令可以支持各种数据类型指令格式和数据格式的一致性：指令长度和数据长度有一定的关系，以方便处理和存取高效性：占内存少，运行省时兼容性：同一系列机软件兼容向前（后）兼容向上（下）兼容兼容性系列机：是指基本指令系统相同、基本体系结构相同的一系列计算机。推出的机种指令系统一定包含所有旧机种的全部指令。向上（下）兼容：指按某档次机器编制的程序，可不加修改的在比它高（低）档的机器上运行。向前（后）兼容：指按某个时期投入市场的某种型号的机器编制的程序，可不加修改的在比它先（后）投入市场的机器上运行。常用指令输入设备输出设备入出接口和总线外存设备主存储器高速缓存控制器运算器ADDSUBANDORMVRRSHRRCLOUTSTOREPUSHJUMPJRCJRNCJRZJRNZCALLRETLOADPOPIN机器指令设计要素操作码（OperationCode）源操作数地址（SourceOperandReference）目的操作数地址（ResultOperandReference）下一条指令的地址（NextInstructionReference）CPU寄存器主存或虚存I/O设备指令格式操作码：指明本条指令的操作功能，每条指令有一个确定的操作码操作数地址：说明操作数存放的地址，有时是操作数本身指令格式优化设计的目标节省程序的存储空间指令格式要尽量规整，减少硬件译码的复杂程度优化后不能降低指令的执行速度操作码

操作数地址

指令字长指令字：完整的一条指令的二进制表示指令字长：指令字中二进制代码的位数指令字长与机器字长半字长、单字长、双字长、多字长定长指令字结构变长指令字结构操作码组织与编码定长的操作码的组织方案在指令字最高位部分分配固定若干位用于表示操作码，有利于简化计算机硬件设计，提高指令译码和识别速度IBM360机变长的操作码的组织方案在指令字最高位部分用一固定长度的字段来表示基本操作码，而对于部分操作数地址位数可以少的指令，则把另外多位辅助操作码扩充到该操作数地址字段，即操作码位数可变。这种方法在不增加指令字长的情况下，可表示更多的指令，但增加了译码和分析难度，要求更多的硬件支持PDP-11计算机操作码的优化表示方法固定长度操作码：优点是规整，硬件译码简单；缺点是浪费很多信息量Huffman编码：平均码长最短，信息冗余量小，但操作码很不规整扩展编码法：前两种方法的折中方案，较为常用的是等长扩展法操作数个数与来源指令操作数个数无操作数指令（零地址指令）单操作数指令（一地址指令）双操作数指令（二地址指令）三操作数指令（二地址指令）多操作数指令（多地址指令）指令操作数来源和去向CPU内部的通用寄存器输入输出设备（接口）的一个寄存器主存储器的一个存储单元OPA1A2OPA1OPOPA1A2A3OPA1A2

更多地址码优化——地址个数地址数目程序长度程序存储量程序执行速度适用场合三地址短最大一般向量、矩阵运算为主二地址一般很大很低一般不宜采用二地址R型一般最小最快多累加器、数据传送较多一地址较长较大较快连续运算，硬件结构简单零地址最长最小最低嵌套、递归、变量较多地址码优化——物理位置存储器—存储器（SS）型指令寄存器—寄存器（RR）型指令寄存器—存储器（RS）型指令操作数存储顺序Big-Endian：高位字节存入低地址，低位字节存入高地址，依次排列。Little-Endian：低位字节存入低地址，高位字节存入高地址，反序排列。字地址为低字节地址IntelLittle-Endian字地址为高字节地址MotorolaBig-Endian37621540字地址04低字节04512673字地址04低字节边界对准地址(十进制)

04812162024283236双字双字（地址32）双字双字（地址24）半字（地址20）半字（地址22）半字（地址16）半字（地址18）字节(地址8)字节(地址9)字节(地址10)字节(地址11)字（地址4）字（地址0）字节(地址14)

字节(地址15)字节(地址13)字节(地址12)

√√指令操作码的扩展技术假设某机器的指令长度为16位，包括4位基本操作码和三个4位地址码段。OPA1A2A315…1211……87……43……0指令的分类算术与逻辑运算指令移位操作指令算术移位（一般只右移）、逻辑移位、循环移位数据传送指令通用寄存器之间传送通用寄存器与主存储器存储单元之间传送主存储器不同存储单元之间传送输入输出指令通用寄存器与输入输出设备（接口）之间传送转移指令无条件转移指令、条件转移指令子程序调用与返回指令堆栈操作指令压入（即进栈）和弹出（即退栈）操作其他指令置条件码指令、开中断指令、关中断指令停机指令、空操作指令、特权指令指令集设计操作指令表（OperationRepertoire）：应提供多少和什么样的操作，操作的复杂程度数据类型（DataTypes）：所支持的数据类型指令格式（InstructionFormat）：指令的（位）长度、地址数目、各个字段的大小等寻址方式（AddressingMode）：指定操作数地址的产生方式寄存器（Registers）：能被指令访问的CPU寄存器数目以及它们的用途RISC-V指令集设计指令集描述RV32IRISC-V固定不变的基础整数指令集，是RISC-V的核心内容RV32ERV32I的子集，用于嵌入式场景RV32GM整数乘除法扩展，增加了整数寄存器中的乘除法指令A原子操作扩展，增加对储存器的原子读、写、修改和处理器间的同步F单精度浮点扩展，增加了浮点寄存器、计算指令、L/S指令D双精度扩展，扩展双精度浮点寄存器，双精度计算指令、L/S指令RV32C压缩指令扩展，将某些指令进行压缩，提高代码密度RV32V向量指令集，SIMDRV64I64位整数指令集，兼容RV32IRV32I基本指令格式R-type：用于寄存器-寄存器操作I-type：用于短立即数和访存load操作S-type：用于访存store操作B-type：用于条件跳转操作U-type：用于长立即数J-type：用于无条件跳转寻址方式寻址方式：形成指令或操作数地址的方法指令的寻址方式顺序寻址跳跃寻址操作数的寻址方式隐含寻址直接寻址……指令顺序寻址方式指令跳跃寻址方式操作数寻址方式操作数的寻址方式是指形成操作数的有效地址的方法一般来说，指令中所给出的地址码（A），并不是操作数的有效地址（EA）形式地址A也称偏移量，它是指令字结构中给定的地址量寻址过程就是把操作数的形式地址变换为操作数的有效地址的过程立即数寻址Num即为操作数的值指令的第2个字直接寻址Addr为操作数在存储器中的地址，

或转移指令等用到的指令地址。内存储器

操作数寄存器寻址、寄存器间接寻址相对寻址例：Disp=48H (PC)=5600H

则实际地址=5648HPC变址寻址例：Disp=18H，Reg=5，(R5)=5700H

则操作数地址=5718H操作数存储器变址寄存器加法器基址寻址例：Disp=18H，[BS]=5700H

则操作数地址=5718H基址寄存器加法器存储器操作数间接寻址存储器操作数Addr1堆栈寻址15200HACCSPX栈顶200H栈底主存151FFHACCSP15栈顶200H栈底主存X1FFHPUSHA前PUSHA后POPA前POPA后Y1FFHACCSPX栈顶200H栈底主存151FFH15200HACCSP栈顶200H栈底主存X15为什么要设置寻址方式？增强指令的功能缩短指令的长度提高指令的执行速度增加操作数存放的位置的灵活性……寻址方式的负面影响指令格式复杂，不规整指令执行速度变慢上述问题导致RISC的出现IBM360指令格式OPR1R2RR格式844OPR1XBDRX格式844412OPR1R3BDRS格式844412OPBDISI格式88412OPB1D1LB2D2SS格式88412412二地址RR基址加变址寻址二地址RM三地址RM基址寻址二地址MM基址寻址基址寻址立即数

MMIPS指令格式

所有的指令都是32位长度。有

3种指令格式，即寄存器型、立即数型和转移型。

操作数寻址方式有寄存器寻址、变址寻址、立即数寻址3种，指令地址支持相对寻址、伪直接地址

2种方式。oprsrtrdshamtfunct

寄存器型立即数型转移型

oprsrtaddress/immediate

optarget例如：

add$1,$2,$3R3←R1+R2例如：lw$1,$2,100R2←M[R1+100]

addi$1,$2,100R2←R1+100例如：

j8000转移到PC[31..28]8000×4[例]指令格式如下所示，其中OP为操作码，试分析指令格式的特点。

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0OP——源寄存器目标寄存器解：单字长二地址指令。操作码字段OP可以指定128条指令。源寄存器和目标寄存器都是通用寄存器（可分别指定16个），所以是RR型指令，两个操作数均在寄存器中。这种指令结构常用于算术逻辑运算类指令。

解：双字长二地址指令，用于访问存储器。操作码字段OP为6位，可以指定64种操作。一个操作数在源寄存器（共16个），另一个操作数在存储器中（由变址寄存器和位移量决定），所以是RS型指令。[例]指令格式如下所示，OP为操作码字段，试分析指令格式特点。

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0OP-----------源寄存器变址寄存器位移量(16位)确定指令系统的两种思路RISC(ReducedInstructionSetComputer)通常称为精简指令系统的计算机。提供数目较少、格式与功能简单、运行高效的指令，追求的是计算机控制器实现简单，运行高速，更容易在单块超大规模集成电路的芯片内制做出来。指令并行性好。CISC(ComplexInstructionSetComputer)通常称为复杂指令系统的计算机，是相对于RISC一词提出来的。其特点是：指令条数多，格式多样，寻址方式复杂，每条指令的功能强，优点是汇编程序设计容易些，但计算机控制器的实现困难多，很多指令被使用的机会比较少。指令并行度差。CISC复杂指令系统计算机(CISC，ComplexInstructionSetComputer)指令系统包含的指令数目多，指令格式多，数据格式多，寻址方式多实例DEC公司的VAX-II/780有16种寻址方式，9种数据格式，303条指令32位的68020微机指令种类比6800多两倍，寻址方式多11种，达18种之多，指令长度从一个字(16位)发展到16个字x86系列机RISC1975年IBM公司JohnCocke提出了精简指令系统的设想精简指令系统计算机(ReducedInstructionSetComputer,RISC)主要特征选取使用频度最高的一些简单指令以及一些很有用但又不复杂的指令,让复杂指令的功能由频度高的简单指令的组合来实现指令长度固定,指令格式种类少,寻址方式种类少只有取数/存数(LOAD/STORE)指令访问存储器,其余指令的操作都在寄存器内完成CPU中有多个通用寄存器采用流水线技术,大部分指令在一个时钟周期内完成。采用超标量和超流水线技术,可以使每条指令的平均执行时间小于一个时钟周期控制器采用组合逻辑控制,不用微程序控制采用优化的编译程序RISC典型实例RISC项目加州大学伯克利分校D．PattersonSUNSPARC、ARM等RISC-VMIPS(Microprocessorwithoutinterlockedpipedstages)斯坦福大学J．HennessyR4000（1991年）、R8000（1994年）、R10000（1996年）和R12000（1997年）等龙芯2以前版本IBMPower处理器RISC的优缺点充分利用VLSI芯片的面积提高计算机运算速度便于设计，可降低成本，提高可靠性有效支持高级语言程序更多存储空间处理器额外负担软件兼容问题性价比问题优点缺点指令系统设计需考虑的问题硬件实现软件支持操作系统高级语言：编译器应用领域MMX:Multi-MediaeXtensionV