计算机指令格式.ppt

1、1,第11讲 指令格式,1 指令系统的发展与性能要求 2 指令格式 3 寻址方式,1 指令系统的发展与性能要求,指令：微机完成规定操作的命令 微指令：微程序级的命令，它属于硬件。 宏指令：由若干条机器指令组成的软件指令，它属于软件。 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术运算或逻辑运算。 指令系统：机器指令的集合称为计算机的指令系统，即CPU所能识别的全部指令。,硬件,软件,指令系统,50年代：指令系统只有定点加减、逻辑运算、数据传送、转移等十几至几十条指令。 60年代后期：增加了乘除运算、浮点运算、十进制运算、字符串处理等指令，指令数目多达一二百条，寻址方式也

2、趋多样化。 70年代末期:大多数计算机的指令系统多达几百条。我们称这些计算机为复杂指令系统计算机(CISC)。但是如此庞大的指令系统难以保证正确性，不易调试维护，造成硬件资源浪费。为此人们又提出了便于VLSI技术实现的精简指令系统计算机（RISC）。,（1）指令系统的发展,指令系统的性能决定了计算机的基本功能，它的设计直接关系到计算机的硬件结构和用户的需要。 一个完善的指令系统应满足如下四方面的要求： 完备性 有效性 规整性 兼容性,（2） 对指令系统性能的要求,2 指令格式,一条指令应包含如下信息：,进行何种操作：即操作性质。 体现在指令中被称为操作码。,操作的对象：数据来源以及如何寻找操作

3、数。 体现在指令中被称为地址码,操作结果：结果存放在何处。,下一条指令又如何寻找,1） 指令字长：一个指令字中包含二进制代码的位数。 指令字的长度取决于操作码的长度、操作数地址的长度和操作数地址的个数。 2）机器字长：计算机能直接处理的二进制数据的位数，它决定了计算机的运算能力。,（1） 指令字长,3） 指令字长与机器字长的关系,指令字长与机器字长没有固定的关系。 等长指令字结构：在一个指令系统中，各种指令字长度是相等的。 优点：指令字结构简单：取指快、译码简单，便于控制。 变长指令字结构：在一个指令系统中，各种指令字长度随指令功能而异，按字节的倍数变化。 优点：指令字结构灵活，合理利用存储空

4、间； 缺点：指令的控制较复杂。,单字长指令：指令字长等于机器字长； 双字长指令：指令字长等于两个机器字长； 半字长指令：指令字长只有半个机器字长。,各种指令字的结构情况,单字长指令,双字长指令,半字长指令,变字长指令,操作码反映机器做什么操作。 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。 例如，操作码占用六位二进制码时，这台计算机最多允许有：,（2）操作码格式,2664 条指令,1）固定格式-定长操作码 各指令操作码的位置、位数固定相同。 2）可变格式-扩展操作码 各指令操作码的位置、位数不固定，根据需要变化，操作码的位数随地址数的减少而增加。关键在设置扩展标志。,假设一台计算

5、机指令字长16位，操作码与地址码都为4位，如图所示。 1）方法一：固定格式，则最多可以设计16条三地址指令。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。 2）方法二：扩展操作码 该指令可以包含3、2、1或0个地址。,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,2）方法二：扩展操作码,操作码 15-12,地址码 11-8 7-4 3-0,在可变长操作码的指令系统设计中，究竟使用何种扩展方法为好，指令的使用频度（即在程序中出现的概率）是非常重要的依据。即频度高的指令应分配短的操作码，频度低的

6、指令则分配较长的操作码。 缺点是译码系统比固定操作码复杂，增加了设计控制器的难度，需要更多的硬件作支持。,例如： 设某台计算机有100条指令，(1) 采用固定长度操作码编码，试设计其操作码的编码。(2) 假如这100条指令中有10条指令的使用概率达到90%，其余90条指令的使用概率为10%。试采用不等长编码设计操作码。,解： （1）固定长度操作码编码:需7位操作码。 100个代码作为100条指令指令操作码即 0000000指令0的操作码 0000001指令1的操作码 1100011指令99的操作码 剩下28个代码可用于增加新指令,长度都是7位。 1100100 1111111,解：可变长度操作

7、码编码 10条指令:需4位操作码编码 0000指令0的操作码 1001指令9的操作码 90条指令:需8位操作码编码 10100000 （160） 11111001 （249）,扩展操作码的组合方案可以有多种，但各条指令的操作码一定不能重复，而且各指令应能正确译码。 霍夫曼编码：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。 扩展操作码介于定长编码和霍夫曼编码之间，操作码字段的位数既不是固定的，又不是任意的，而是有限的几种码长。,指令中的地址码用来指出该指令的源操作数地址(一个或两个)、结果地址及下一条指令的地址。 这里的地址可以是主存地址，也可以是寄存

8、器地址，甚至可以是I/O设备的地址。 1）指令提供地址的方式： 显地址方式：指令中明显指明了地址。 隐地址方式：地址隐含约定，并不出现在指令中,（3）地址结构,使用隐地址可以减少指令中的地址数，从而简化地址结构。,2）地址结构的简化,三地址指令,二地址指令,一地址指令,零地址指令,四地址指令,四地址指令,8 6 6 6 6,A1 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,4 次访存,直接寻址范围 26 = 64,这种指令直观易懂，但冗余繁琐，不切实际。,因为程序中大部分指令都是顺序执行的，当采用指令计数器PC指示指令地址后，A4地址可以省去。,格式：,功能：

9、,例如：四地址指令,(A1)OP(A2)A3 A4=下一条将要执行指令的地址,5,3,8,三地址指令,8 8 8 8,需4 次访存,直接寻址范围 28 = 256,若 A3 用 A1 或 A2 代替,用三地址指令编写的程序，其指令在内存中必须依次存放，才能利用程序计数器自动增量的办法顺序执行。若程序要转向时，必须用转移地址修改PC的内容。但是机器运行过程中，中间结果可以暂时存放在CPU的寄存器（如ACC）中，可将A3省去。,格式：,功能：,例如：三地址指令,(A1)OP(A2)A3 (PC)+1=下条将要执行指令的地址,程序计数器： 存放当前指令地址,5,3,8,执行一条三地址指令需4次访问主

10、存。,二地址指令,8 12 12,或,4 次访存 如果(A1)OP(A2) ACC，只需3次访存,寻址范围 212 = 4 K, 当二地址指令执行之后，A1或A2中的内容被修改了。 如果将一个操作数的地址隐含在运算器的ACC中，指令字中只需给出一个地址码，构成一地址指令。,格式：,功能：,一地址指令,8 24,ACC既存放参与运算的操作数，又存放中间结果，完成一条一地址指令需2 次访存,直接寻址范围 224 = 16 M,如：求反，自增1等,格式：,功能：,双操作数：,单操作数：,在程序执行前，必须用一条“取数指令”把其中一个操作数放到累加寄存器中。程序结束后，累加寄存器的内容已被修改。若要将

11、累加寄存器中的结果送回内存，则必须使用“存数指令”。,双操作数：,无地址码的指令称为零地址指令。可以没有地址，也可以是隐含地址。如停机指令就是不需要地址的零地址指令。 功能：用于堆栈或特殊指令操作。 执行零地址指令时，被运算的操作数地址全部是隐含的，指令格式中只说明作什么操作。例如进栈（PUSH）、出栈（POP）这类指令，其操作数的地址隐含在堆栈指针SP中,零地址指令,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 OP R1, R2, R3,二地址 OP R1, R2,一地址 OP R1,指令执行阶段不访存,可缩短指令字长,由于硬件只能识别1和0，所以采用二进制操作码是必要的，但是我们用二进制来书写程序却非常麻烦。为了便于书写和阅读程序，每条指令通常用3个或4个英文缩写字母来表示。这种缩写码叫做指令助记符。,典型的指令助记符,（4）指令助记符,操作数类型,一、操作数类型,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,存