计算机组成原理第五章知识课件

第五章指令系统5.1机器指令5.2操作数类型和操作类型5.3寻址方式5.4指令格式举例5.5RISC技术5.1指令系统的发展与性能要求1、指令在计算机系统中的地位（1）是软件和硬件分界面的一个主要标志硬件设计人员采用各种手段实现它；软件设计人员则利用它编制各种各样的系统软件和应用软件（2）是硬件设计人员和软件设计人员之间的分界面，也是他们之间沟通的桥梁。5.1指令系统相关概念指令就是规定计算机执行某种操作的指示与命令。从计算机组成的层次结构来说，指令分：微指令：在微程序控制的计算机中，将由同时发出的控制信号所执行的一组微操作。属于硬件宏指令：也是汇编指令，允许程序员把一组指令定义成几个短名字。定义之后，可以在代码中用一条宏指令来代替一组指令，节省程序员的时间、简化应用，也使得程序更易读。属于软件。机器指令：介于微指令与宏指令之间。计算机语言低级语言是指机器语言和汇编语言（助记符）,比如机器语言全部是二进制代码,高级语言是诸如Basic,C,Pascal,Delphi之类的语言低级语言编写很麻烦,下边以a=a+b(a取2,b取3)为例机器:(一大串1和0,不再给出,因为的确很麻烦)汇编:MOVAX,2MOVBX,3ADDAX,BXC语言:inta,b;a=2;b=3;a=a+b;

机器码分析00h:BA110103h:B40905h:B90A0008hCD210Ah:E2FC0Ch:B4010Eh:CD2110h:C311h:68656C6C6F2124MOVDX,OFFSETmsg

MOVAH,9

MOVCX,10

next:

INT21h

LOOPnextMOVAH,1

INT21hRETmsg

hello！指令系统的发展与性能要求低级语言与高级语言关系

比较内容高级语言低级语言

1对程序员的训练要求(1)通用算法(2)语言规则(3)硬件知识

有较少不要

有较多要

2对机器独立的程度独立不独立

3编制程序的难易程度易难

4编制程序所需时间短较长

5程序执行时间较长短

6编译过程中对计算机资源的要求多少指令系统的发展与性能指令系统就是CPU能够执行的所有机器指令的集合。指令系统决定了计算机的基本功能，指令系统的设计是计算机系统设计的一个核心问题。它不仅与计算机的硬件设计紧密相关，而且直接影响到系统软件设计的难易程度。完善的计算机的指令系统应具备：1、完备性：一台计算机中最基本的、必不可少的指令构成了指令系统的完备性。2、有效性：指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。高效率主要表现在空间和时间方面，即占用存储空间小、执行速度快。3、规整性：指令操作的对称性和匀齐性，指令格式与数据格式的一致性。（1）对称性：在指令系统中，所有寄存器和存储单元都可同等对待，这对简化程序设计，提高程序的可读性非常有用。（2）匀齐性：是指一种操作性质的指令可以支持各种数据类型。（3）指令的格式与数据格式的一致性：指令长度与数据长度有一定关系，以方便存取和处理。4、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、数据表示和共同的基本指令集合。机器指令一、指令的一般格式操作码字段

地址码字段1.操作码反映机器做什么操作(1)长度固定(2)长度可变用于指令字长较长的情况，RISC如IBM350操作码8位操作码分散在指令字的不同字段中(3)扩展操作码技术操作码的位数随地址数的减少而增加OPA1A2A3000000011110…A1A1A1…A2A2A2…A3A3A3…A2A2A2…A3A3A3…111111111111…000000011110…111111111111…111111111111…111111111111…000000011111…111111111111…111111111111…A3A3A3…000000011110…4位操作码8位操作码12位操作码16位操作码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5.12.地址码(1)四地址OPA1A2A3A486666A1

第一操作数地址A2

第二操作数地址A3

结果的地址A4

下一条指令地址若PC代替A4(A1)OP(A2)A34次访存寻址范围26=645.1设指令字长为32位操作码固定为8位2.地址码(2)三地址8888OPA1A2A34次访存寻址范围28=256若A3用A1或A2代替5.1这种格式虽然省去了一个地址，但指令长度仍比较长，所以只在字长较长的大、中型机中使用，而小型、微型机中很少使用。(A1)OP(A2)A3(PC)+1→PC(3)二地址OPA1A281212(A1)OP(A2)A1(A1)OP(A2)A2或4次访存若ACC代替A1（或A2）若结果存于ACC寻址范围212=4K3次访存5.1(PC)+1→PC二地址地址根据操作数的物理位置分为：SS存储器-存储器类型RS寄存器-存储器类型RR寄存器-寄存器类型 慢(4)一地址(5)零地址OPA1824无地址码(ACC)OP(A1)ACC2次访存寻址范围224=16M单操作数运算指令，如“+1”、“-1”、“求反”指令中给出一个源操作数的地址(PC)+1→PC“停机”、“空操作”、“清除”等控制类指令。二、指令字长指令字长决定于操作码的长度指令字长=存储字长2.指令字长可变操作数地址的长度操作数地址的个数1.指令字长固定按字节的倍数变化5.1指令字长度（一个指令字包含二进制代码的位数）机器字长：计算机能直接处理的二进制数据的位数。二、指令字长5.1多字长指令的优缺点：优点：提供足够的地址位来解决访问内存任何单元的寻址问题；缺点：必须两次或多次访问内存以取出一整条指令，降低了CPU的运算速度，又占用了更多的存储空间。指令系统中指令采用等长指令的优点：各种指令字长度是相等的，指令字结构简单，且指令字长度是不变的；采用非等长指令的的优点：各种指令字长度随指令功能而异，结构灵活，能充分利用指令长度，但指令的控制较复杂。小结当用一些硬件资源代替指令字中的地址码字段后当指令的地址字段为寄存器时可扩大指令的寻址范围可缩短指令字长可减少访存次数三地址OPR1,

R2,R3二地址OPR1,R2

一地址OPR1

指令执行阶段不访存可缩短指令字长5.15.2操作数类型和操作种类一、操作数类型地址数字字符逻辑数无符号整数定点数、浮点数、十进制数ASCII逻辑运算二、数据在存储器中的存放方式字地址为低字节地址字地址为高字节地址37621540字地址01低字节04512673字地址01低字节大端次序小端次序存储器中的数据存放（存储字长为

32

位）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）边界对准地址（十进制）048字节(地址7)字节(地址6)字(地址2)半字(地址10)半字(地址8)半字(地址0)字(地址4)边界未对准

▲

▲

5.2三、操作类型1.

数据传送源目的寄存器寄存器寄存器寄存器存储器存储器存储器存储器置“1”，清“0”2.算术逻辑操作加、减、乘、除、增1、减1、求补、浮点运算、十进制运算与、或、非、异或、位操作、位测试、位清除、位求反如8086MOVESTORELOADMOVEPUSHPOP例如MOVEMOVE5.2ADDSUBMULDIVINCDECCMPNEGAAAAASAAMAADANDORNOTXORTEST3.移位操作算术移位4.转移(1)无条件转移JMP(2)条件转移结果为零转（Z=1）

JZ结果溢出转（O=1）JO结果有进位转（C=1）JC跳过一条指令SKP循环移位（带进位和不带进位）如300…305306307SKPDZD=0则跳逻辑移位完成触发器5.2(3)调用和返回CALLSUB1.........CALLSUB2…...CALLSUB2…RETURNRETURN......主程序地址200021002101子程序SUB1240025002501256025612500主存空间分配程序执行流程子程序SUB25.2INAX,nOUTDX,ALOUTn,AXOUTDX,AX(4)陷阱（Trap）与陷阱指令意外事故的中断设置供用户使用的陷阱指令如8086INTTYPE软中断提供给用户使用的陷阱指令，完成系统调用5.输入输出一般不提供给用户直接使用

在出现事故时，由CPU自动产生并执行（隐指令）INAL,DXINAX,DX入端口地址CPU的寄存器出CPU的寄存器端口地址5.2如如INAL,nOUTn,AL5.3寻址方式寻址方式

确定本条指令的操作数地址下一条欲执行指令的指令地址指令寻址数据寻址寻址方式5.3寻址方式一、指令寻址顺序(PC)+1PC跳跃由转移指令指出LDA1000ADD1001DEC1200JMP7LDA2000SUB2001INCSTA2500LDA1100...0123456789PC+1指令地址寻址方式指令地址指令顺序寻址1顺序寻址2顺序寻址3跳跃寻址7顺序寻址8指令和数据的寻址方式操作数的寻址方式形成操作数有效地址的方法，称为寻址方式。操作数通常放在哪儿呢？操作数包含在指令中；操作数包含在CPU的某一个内部寄存器中；操作数包含在主存储器中；操作数包含在I/O设备的端口中根据操作数放在不同的地方，从而派生各种不同的寻址方式，往往不同的计算机具有不同的寻址方式。1.立即寻址OP#A立即寻址特征立即数可正可负补码形式地址A就是操作数5.3特点：在取指令时，操作码和操作数被同时取出，不必再次访问存储器，从而提高了指令的执行速度。但是，因为操作数是指令的一部分，不能被修改；而且对于定长指令格式，操作数的大小将受到指令长度的限制，A的位数限制了立即数的范围，所以这种寻址方式灵活性最差例如：LOADR1#2000功能为：R1=2000单地址的移位指令格式：D不表示地址，而是操作数，F为标志位当F=1右移当F=0左移OP(移位）FD立即寻址应用范围：通常用于给某一寄存器或主存单元赋初值，或者用于提供一个常数2.直接寻址EA=A操作数主存寻址特征LDAAAACC执行阶段访问一次存储器

A的位数决定了该指令操作数的寻址范围有效地址由形式地址直接给出5.33.隐含寻址操作数地址隐含在操作码中ADDA操作数主存寻址特征AACC暂存ALU另一个操作数隐含在ACC中如8086MUL指令被乘数隐含在AX（16位）或AL（8位）中指令字中少了一个地址字段，可缩短指令字长5.34.间接寻址EA=（A）有效地址由形式地址间接提供OPA寻址特征AEA主存EAA1EAA1主存EA10执行指令阶段2次访存可扩大寻址范围便于编制程序OPA寻址特征A一次间址多次间址操作数操作数多次访存5.3………子程序主程序…8081201202转子程序转子程序间接寻址编程举例(A)=81(A)=202……@间址特征5.3JMP@A…

……………

…………5.寄存器寻址EA=Ri执行阶段不访存，只访问寄存器，执行速度快OPRi寻址特征寄存器个数有限，可缩短指令字长操作数………………R0RiRn寄存器有效地址即为寄存器编号5.3优点：缺点：操作数实现必须装入寄存器EA=(Ri

)6.寄存器间接寻址

有效地址在寄存器中，操作数在存储器中，执行阶段访存操作数主存OPRi寻址特征寻址空间达到全字长范围，计算机中广泛应用地址………………R0RiRn寄存器有效地址在寄存器中5.37、相对寻址由程序计数器PC提供基准地址，而指令的地址码部分给出相对的位移量D，两者相加后作为操作数的有效地址，即：EA＝(PC)＋D。7、相对寻址对寻址方式使程序模块可采用浮动地址，编程时只要确定程序内部操作数与指令之间的相对距离，而无需确定操作数在主存储器中的绝对地址，这样，将程序安排在主存储器的任意位置都不会影响程序执行的正确性。(2)按字节寻址的相对寻址举例OP位移量2000H2008H8JMP*+8OP06H2000H2008H8设当前指令地址PC=2000H转移后的目的地址为

2008H因为取出JMP

*+8

后PC=2002H二字节指令故JMP

*+8

指令的第二字节为2008H-2002H=6H5.38.基址寻址(1)采用专用寄存器作基址寄存器EA=(BR)+ABR为基址寄存器OPA操作数主存寻址特征ALUBR

可扩大寻址范围

便于程序搬家

BR内容由操作系统或管理程序确定

在程序的执行过程中BR内容不变，形式地址A可变5.3(2)

采用通用寄存器作基址寄存器操作数主存寻址特征ALUOPR0AR0

作基址寄存器由用户指定哪个通用寄存器作为基址寄存器通用寄存器R0Rn-1R1…基址寄存器的内容由操作系统确定在程序的执行过程中R0内容不变，形式地址A可变5.39.变址寻址EA=(IX)+AOPA操作数主存寻址特征ALUIX可扩大寻址范围便于处理数组问题

IX的内容由用户给定IX为变址寄存器（专用）在程序的执行过程中IX内容可变，形式地址A不变通用寄存器也可以作为变址寄存器5.3例设数据块首地址为D，求N

个数的平均值直接寻址变址寻址LDADADDD+1ADDD+2……ADDD+(N-1)DIV#NSTAANSLDA#0LDX#0INXCPX#NBNEMDIV#NSTAANS共N+2

条指令共8条指令ADDX,DMX为变址寄存器D为形式地址(X)和#N

比较(X)+1X结果不为零则转

5.310.堆栈寻址(1)堆栈的特点堆栈硬堆栈软堆栈多个寄存器指定的存储空间先进后出（一个入出口）栈顶地址由SP

指出–11FFFH+12000H进栈（SP）–1SP出栈（SP）+1SP栈顶栈底2000HSP2000H……1FFFHSP1FFFH栈顶栈底进栈出栈1FFFH栈顶2000H栈顶5.3(2)堆栈寻址举例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X155.3(3)SP的修改与主存编址方法有关①按字编址进栈出栈（SP）–1SP（SP）+1SP②按字节编址存储字长16位进栈出栈（SP）–2SP（SP）+2SP存储字长32位进栈出栈（SP）–4SP（SP）+4SP5.35.4指令格式举例一、设计指令格式时应考虑的各种因素1.指令系统的兼容性（向上兼容）2.其他因素操作类型数据类型指令格式包括指令个数及操作的难易程度指令字长、操作码位数寻址方式寄存器个数地址码位数、地址个数寻址方式、是否采用扩展操作码二、指令格式举例1.PDP–8指令字长固定12位操作码间

页地址码访存类指令0235411寄存器类指令111辅助操作码02311I/O类指令110设备操作码02311985.42.PDP–11源地址OP4661616目的地址存储器地址1存储器地址2OP10616目的地址存储器地址目的地址466源地址OP106目的地址OP–CODE16OP–CODE指令字长有16位、32位、48位三种零地址(16位)一地址(16位)二地址RR(16位)二地址RM(32位)二地址MM(48位)扩展操作码技术5.43.IBM360OPR1R2RR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M5.44.Intel8086(1)指令字长(2)地址格式1~6个字节MOVWORDPTR[0204],0138H6字节INCAX1字节一地址NOP1字节CALL段内调用3字节零地址5字节段间调用寄存器—寄存器寄存器—立即数寄存器—存储器ADDAX，BX2字节ADDAX，[3048H]4字节ADDAX，3048H

3字节二地址CALL5.45.5RISC技术一、RISC的产生和发展

80—20规律

典型程序中80%的语句仅仅使用处理机中20%的指令

执行频度高的简单指令，因复杂指令的存在，执行速度无法提高RISC（ReducedInstructionSetComputer）CISC（ComplexInstructionSetComputer）——RISC技术

能否用20%的简单指令组合不常用的80%的指令功能？例题某16位机器所使用的指令格式和寻址方式如下所示，该机有两个20位基址寄存器，四个16位变址寄存器，十六个16位通用寄存器。指令汇编格式中的S（源），D（目标）都是通用寄存器，M是主存中的一个单元。三种指令的操作码分别是MOV（OP）=（A）H，STO（O