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3、式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,,,*,,,計算機組成原理,湘南學院,首頁,上頁,下頁,退出,單擊此處編輯母版標題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,,,*,,,計算機組成原理,湘南學院,首頁,上頁,下頁,退出,單擊此處編輯母版標題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,,,*,,,計算機組成原理,湘南學院,首頁,上頁,下頁,退出,單擊此處編輯母版標題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,,,*,,,計算機組成原理,湘南學院,首頁,上頁,下頁,退出,單擊此處編輯母版標題樣式,單擊此處編輯

4、母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,,,*,*,*,,,,,,,,,,單擊此處編輯母版標題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,4.1,指令系統(tǒng)的發(fā)展與性能要求,4.2,指令格式,4.3,指令和數(shù)據(jù)的尋址方式,4.4,典型指令,第四章 指令系統(tǒng),4.1 指令系統(tǒng)的發(fā)展與性能要求第四章 指令系統(tǒng),1,2,4.1,指令系統(tǒng)的發(fā)展與性能要求,1,、指令在計算機系統(tǒng)中的地位,（,1,）是軟件和硬件分界面的一個主要標志,硬件設計人員采用各種手段實現(xiàn)它；,軟件設計人員則利用它編制各種各樣的系統(tǒng)軟件和應用軟件,（,2,）是硬件設計人員和軟件設計人員之間的分界面，

5、也是他們之間溝通的橋梁。,,24.1 指令系統(tǒng)的發(fā)展與性能要求1、指令在計算機系統(tǒng)中的地,2,3,4.1,指令系統(tǒng)的發(fā)展與性能要求,2,、指令系統(tǒng)基本概念,指令：就是要計算機執(zhí)行某種操作的命令。從計算機組成的層次結構來說，計算機的指令有微指令、機器指令和宏指令之分。微指令是微程序級的命令，它屬于硬件；,宏指令：由若干條機器指令組成的軟件指令，它屬于軟件；,機器指令：介于微指令與宏指令之間，通常簡稱為指令，每一條指令可完成一個獨立的算術運算或邏輯運算操作。,本章所討論的指令，是機器指令。,34.1 指令系統(tǒng)的發(fā)展與性能要求2、指令系統(tǒng)基本概念,3,一臺計算機中所有機器指令的集合，稱為這臺計算機的

6、指令系統(tǒng)。,指令系統(tǒng)是表征一臺計算機性能的重要因素，它的格式與功能不僅直接影響到機器的硬件結構，而且也直接影響到系統(tǒng)軟件，影響到機器的適用范圍,,一臺計算機中所有機器指令的集合，稱為這臺計算機的指令系統(tǒng)。,4,5,4.1,指令系統(tǒng)的發(fā)展與性能要求,3,、發(fā)展情況,復雜指令系統(tǒng)計算機，簡稱,CISC,。但是如此龐大的指令系統(tǒng)不但使計算機的研制周期變長，難以保證正確性，不易調試維護，而且由于采用了大量使用頻率很低的復雜指令而造成硬件資源浪費。,精簡指令系統(tǒng)計算機：簡稱,RISC,，人們又提出了便于,VLSI,技術實現(xiàn)的精簡指令系統(tǒng)計算機。,,54.1 指令系統(tǒng)的發(fā)展與性能要求3、發(fā)展情況,5,6

7、,4.1,指令系統(tǒng)的發(fā)展與性能要求,4,、低級語言與高級語言關系,,,,比較內容,,高級語言,,低級語言,,,1,,,對程序員的訓練要求,(1),通用算法,(2),語言規(guī)則,(3),硬件知識,,,,有,較少,不要,,,,有,較多,要,,,2,,,對機器獨立的程度,,獨立,,不獨立,,,3,,,編制程序的難易程度,,易,,難,,,4,,,編制程序所需時間,,短,,較長,,,5,,,程序執(zhí)行時間,,較長,,短,,,6,,,編譯過程中對計算機資源的要求,,多,,少,,,64.1 指令系統(tǒng)的發(fā)展與性能要求4、低級語言與高級語言關,6,7,4.2,指令格式,影響計算機指令格式的因素,機器的字長,存儲器

8、的容量,指令的功能,指令能反映以下信息,做什么操作,如果需要操作數(shù)，從哪里取,結果送哪里,下一條指令從哪里取,所以指令格式包括兩個方面：,,,,操作碼字段,地址碼字段,74.2 指令格式影響計算機指令格式的因素操作碼字段地址碼字,7,8,4.2,指令格式,,一,、操作碼,設計計算機時，對指令系統(tǒng)的每一條指令都要規(guī)定一個操作碼。指令的操作碼,OP,表示該指令應進行什么性質的操作，如進行加法、減法、乘法、除法、取數(shù)、存數(shù)等等。不同的指令用操作碼字段的不同編碼來表示，每一種編碼代表一種指令。,組成操作碼字段的位數(shù)一般取決于計算機指令系統(tǒng)的規(guī)模。較大的指令系統(tǒng)就需要更多的位數(shù)來表示每條特定的指令。,等

9、長（指令規(guī)整，譯碼簡單）,例如,IBM 370,機，該機字長,32,位，,16,個通用寄存器,R0,～,R15,，共有,183,條指令；指令的長度可以分為,16,位、,32,位和,48,位等幾種，所有指令的操作碼都是,8,位固定長度。,固定長度編碼的主要缺點是：信息的冗余極大，使程序的總長度增加。,84.2 指令格式 一、操作碼,8,二、地址碼,根據(jù)一條指令中有幾個操作數(shù)地址，可將該指令稱為幾操作數(shù)指令或幾地址指令。,三地址指令,二地址指令,單地址指令,零地址指令,操作碼（,4,位）,A1（6,位）,A2（6,位）,A3（6,位）,操作碼（,4,位）,A1（6,位）,A2（6,位）,,操作碼（

10、,4,位）,A1（6,位）,,,操作碼,,,,二、地址碼根據(jù)一條指令中有幾個操作數(shù)地址，可將該指令稱為幾操,9,10,二、地址碼,三地址指令,指令格式如下：,,,操作碼,θ,第一操作數(shù),A1,第二操作數(shù),A2,結果,A3,功能描述：,(A1),θ,(A2)→A3,(PC) +1→PC,θ,A1,A2,A3,10二、地址碼三地址指令θA1A2A3,10,11,二、地址碼,二地址指令,其格式如下：,,操作碼,θ,第一操作數(shù),A1,第二操作數(shù),A2,,功能描述：,(A1)θ(A2)→A1,(PC)+1→PC,二地址指令在計算機中得到了廣泛的應用，但是在使用時有一點必須注意：指令執(zhí)行之后，,A1,中原

11、存的內容已經被新的運算結果替換了。,θ,A1,A2,11二、地址碼二地址指令θA1A2,11,12,二、地址碼,二地址地址根據(jù)操作數(shù)的物理位置分為：,SS,存儲器,-,存儲器類型,RS,寄存器,-,存儲器類型,RR,寄存器,-,寄存器類型,,慢,12二、地址碼二地址地址根據(jù)操作數(shù)的物理位置分為：慢,12,13,二、地址碼,一地址指令,指令格式為：,,,操作碼,θ,第一操作數(shù),A1,功能描述：,(AC)θ(A1) →A1 (PC)+1→PC,單操作數(shù)運算指令，如“,+1”,、“,-1”,、“求反”,指令中給出一個源操作數(shù)的地址,θ,A1,13二、地址碼一地址指令θA1,13,14,二、地址碼,零

12、地址指令,,其格式為：,,操作碼,θ,“,停機”、“空操作”、“清除”等控制類指令。,θ,14二、地址碼零地址指令??θ,14,15,三,、指令長度,概念,指令字長度（一個指令字包含二進制代碼的位數(shù)）,機器字長：計算機能直接處理的二進制數(shù)據(jù)的位數(shù)。,單字長指令,半字長指令,雙字長指令,多字長指令,的優(yōu)缺點,優(yōu)點提供足夠的地址位來解決訪問內存任何單元的尋址問題 ；,缺點必須兩次或多次訪問內存以取出一整條指令，降低了,CPU,的運算速度，又占用了更多的存儲空間。,15三、指令長度概念,15,指令系統(tǒng)中指令采用,等長指令,的優(yōu)點：各種指令字長度是相等的，,指令字結構簡單，且指令字長度是不變的,；,采

13、用,非等長指令,的的優(yōu)點：各種指令字長度隨指令功能而異，,結構靈活，能充分利用指令長度，但指令的控制較復雜,。,,指令系統(tǒng)中指令采用等長指令的優(yōu)點：各種指令字長度是相等的，指,16,17,四、指令助記符,由于硬件只能識別,1,和,0,，所以采用二進制操作碼是必要的，但是我們用二進制來書寫程序卻非常麻煩。,為了便于書寫和閱讀程序，每條指令通常用,3,個或,4,個,英文縮寫字母來表示。這種縮寫碼叫做指令助記符,用,3,～,4,個英文字母來表示操作碼，一般為英文縮寫,不同的計算機系統(tǒng)，規(guī)定不一樣,必須用匯編語言翻譯成二進制代碼,17四、指令助記符由于硬件只能識別1和0，所以采用二進制操作,17,18

14、,五、指令格式舉例,8,位微型計算機的指令格式,如,8088,，字長,8,位，指令結構可變,包括單字長指令、雙字長指令和三字長指令,操作碼長度固定,,PDP/11,系列機的指令格式,字長,16,位,單字長指令,操作碼字段不固定,,18五、指令格式舉例8位微型計算機的指令格式,18,19,六,、,Pentium,指令格式,指令長度可變，最短,1,個字節(jié)，最長,12,個字節(jié)，典型的,CISC,指令系統(tǒng),由可選前綴（,0~4,）、操作碼（,1~2,）、,一個由,mod-R/M,字節(jié)和一個,SIB,（,Scale Index Base,）比例變址字節(jié)組成的地址指定器,、一個可選的位移量（,0~4,）和

15、一個可選的立即數(shù)字段（,0~4,）構成。,19六、 Pentium指令格式指令長度可變，最短1個字節(jié)，,19,20,4.4,指令和數(shù)據(jù)的尋址方式,研究問題,確定本條指令中各操作數(shù)的地址,下一條指令的地址,尋址方式是指,CPU,根據(jù)指令中給出的地址碼字段尋找相應的操作數(shù)的方式，它與計算機硬件結構緊密相關，而且對指令的格式和功能有很大的影響。,204.4 指令和數(shù)據(jù)的尋址方式研究問題,20,21,4.3,指令和數(shù)據(jù)的尋址方式,指令的尋址方式,順序方式,PC,跳躍方式,214.3 指令和數(shù)據(jù)的尋址方式指令的尋址方式,21,22,4.3,指令和數(shù)據(jù)的尋址方式,操作數(shù)的尋址方式,,形成操作數(shù)有效地址的方

16、法，稱為尋址方式。,操作數(shù)通常放在哪兒呢？,,224.3 指令和數(shù)據(jù)的尋址方式操作數(shù)的尋址方式,22,23,4.3,指令和數(shù)據(jù)的尋址方式,操作數(shù)包含在指令中；,操作數(shù)包含在,CPU,的某一個內部寄存器中；,操作數(shù)包含在主存儲器中；,操作數(shù)包含在,I/O,設備的端口中,根據(jù)操作數(shù)放在不同的地方，從而派生各種不同的尋址方式，往往不同的計算機具有不同的尋址方式。,234.3 指令和數(shù)據(jù)的尋址方式操作數(shù)包含在指令中；,23,24,1、隱含尋址,指令中隱含著操作數(shù)的地址,如某些運算，隱含了累加器,AC,作為源和目的寄存器,如,8086,匯編中的,STC,指令，設置標志寄存器的,C,為,1,241、隱含尋

17、址指令中隱含著操作數(shù)的地址,24,25,2、立即尋址,立即尋址是一種特殊的尋址方式，指令中在操作碼字段后面的部分不是通常意義上的操作數(shù)地址，而是操作數(shù)本身，也就是說數(shù)據(jù)就包含在指令中，只要取出指令，就取出了可以立即使用的操作數(shù)，因此，這樣的操作數(shù)被稱為立即數(shù)。,指令格式：操作碼,θ,操作數(shù),A,,252、立即尋址立即尋址是一種特殊的尋址方式，指令中在操作碼,25,26,2、立即尋址,特點：在取指令時，操作碼和操作數(shù)被同時取出，不必再次訪問存儲器，從而提高了指令的執(zhí)行速度。,但是，因為操作數(shù)是指令的一部分，不能被修改；,而且對于定 長指令格式，操作數(shù)的大小將受到指令長度的限制，所以這種尋址方式靈

18、活性最差,通常用于給某一寄存器或主存單元賦初值，或者用于提供一個常數(shù)。,,262、立即尋址特點：在取指令時，操作碼和操作數(shù)被同時取出，,26,27,3,、,直接尋址,,指令中地址碼字段給出的地址,A,就是操作數(shù)的有效地址,EA(Effective Address),，即,EA,＝,A,。,,273、直接尋址?指令中地址碼字段給出的地址A就是操作數(shù)的有,27,28,3,、,直接尋址,操作數(shù)地址是不能修改的，與程序本身所在的位置無關，所以又叫做絕對尋址方式,在早期的計算機中，主存儲器的容量較小，指令中地址碼的位數(shù)要求不長，采用直接尋址方式簡單快速，也便于硬件實現(xiàn)，因此，常被作為主要的尋址方式。,但

19、在現(xiàn)代，隨著計算機主存容量的不斷擴大，所需的地址碼將會越來越長。指令中地址碼的位數(shù)將不能滿足整個主存空間尋址的要求，因此直接尋址方式受到了很大的限制。另外，在指令的執(zhí)行過程中，為了取得操作數(shù)，必須進行訪存操作，降低了指令的執(zhí)行速度。,283、直接尋址操作數(shù)地址是不能修改的，與程序本身所在的位置,28,29,4,、,間接尋址,間接尋址意味著指令的地址碼部分給出的地址A不是操作數(shù)的地址，而是存放操作數(shù)地址的主存單元的地址，簡稱操作數(shù)地址的地址。操作數(shù)的有效地址的計算公式為：EA＝(A),294、間接尋址?間接尋址意味著指令的地址碼部分給出的地址A,29,30,4,、,間接尋址,特點：因為操作數(shù)的有

20、效地址在主存儲器中，可以被靈活的修改而不必修改指令，從而使間接尋址要比直接尋址靈活得多。但是，間接尋址在指令執(zhí)行過程中至少需要兩次訪問主存儲器才能取出操作數(shù)，嚴重降低了指令執(zhí)行的速度。,,304、間接尋址特點：因為操作數(shù)的有效地址在主存儲器中，可以,30,31,5,、寄存器尋址,在指令的地址碼部分給出,CPU,內某一通用寄存器的編號，指令的操作數(shù)存放在相應的寄存器中，即,EA=Ri,,,,,優(yōu)點：,(1),由于寄存器在,CPU,的內部，指令在執(zhí)行時從寄存器中取操作數(shù)比訪問主存要快得多；,(2),由于寄存器的數(shù)量較少，因此寄存器編號所占位數(shù)也較少，從而可以有效減少指令的地址碼字段的長度。,315

21、、寄存器尋址?? 在指令的地址碼部分給出CPU內某一通,31,32,6,、寄存器間接尋址,為了克服間接尋址中多次訪存的缺點，可采用寄存器間接尋址，即將操作數(shù)放在主存儲器中，而操作數(shù)的地址放在某一通用寄存器中，然后在指令的地址碼部分給出該通用寄存器的編號，這時有,EA=(Ri),,,,,,,,,這種尋址方式的指令較短，并且在取指后只需一次訪存便可得到操作數(shù)，因此指令執(zhí)行速度較前述的間接尋址方式要快，也是目前在計算機中使用較為廣泛的一種尋址方式。,,326、寄存器間接尋址??為了克服間接尋址中多次訪存的缺點，,32,33,7,、相對尋址,由程序計數(shù)器,PC,提供基準地址，而指令的地址碼部分給出相對

22、的位移量,D,，兩者相加后作為操作數(shù)的有效地址，即：,EA,＝,(PC),＋,D,。,,337、相對尋址由程序計數(shù)器PC提供基準地址，而指令的地址碼,33,34,7,、相對尋址,對尋址方式使程序模塊可采用浮動地址，編程時只要確定程序內部操作數(shù)與指令之間的相對距離，而無需確定操作數(shù)在主存儲器中的絕對地址，這樣，將程序安排在主存儲器的任意位置都不會影響程序執(zhí)行的正確性。,347、相對尋址對尋址方式使程序模塊可采用浮動地址，編程時只,34,35,8,、基址尋址,在基址尋址方式中，指令的地址碼部分給出偏移量D，而基準地址放在基址寄存器Rb中，最后操作數(shù)的有效地址仍然是由基準地址A與偏移量D相加而成，即

23、：EA＝(Rb)＋D。,用哪一個寄存器作為基址寄存器也必須在硬件設計時就事先規(guī)定，基址寄存器Rb中的內容稱為基準地址，該值可正可負。,358、基址尋址在基址尋址方式中，指令的地址碼部分給出偏移量,35,36,8,、基址尋址,,,,,,,,基址寄存器的位數(shù)可以設置得很長，從而可以在較大的存儲空間中尋址。,368、基址尋址,36,37,9,、變址尋址,變址尋址就是將指令的地址碼部分給出的基準地址A與CPU內某特定的變址寄存器Rx中的內容相加，以形成操作數(shù)的有效地址，即：EA＝A＋(Rx)。,用哪一個寄存器作為變址寄存器必須在硬件設計時就事先規(guī)定，變址寄存器Rx中的內容稱為變址值，該值可正可負。,3

24、79、變址尋址變址尋址就是將指令的地址碼部分給出的基準地址,37,38,9,、變址尋址,389、變址尋址,38,39,9,、變址尋址,變址尋址方式是一種被廣泛采用的尋址方式，最典型的應用就是將指令的地址碼部分給出的地址,A,作為基準地址，而將變址寄存器,Rx,中的內容作為修改量。在遇到需要頻繁修改操作數(shù)地址時，無須修改指令，只要修改,Rx,中的變址值就可以了，這對于數(shù)組運算、字符串操作等一些進行成批數(shù)據(jù)處理的指令是很有用的。,399、變址尋址變址尋址方式是一種被廣泛采用的尋址方式，最典,39,10,、段尋址方式,微型機中采用了段尋址方式。,給定一個,20,位的地址，從而有,2,20,=1 M,

25、存儲空間的直接尋址能力。,將整個,1M,存儲空間以,64K,為單位劃分為若干個段。在尋址一個內存單元時，由一個基地址再加上某些寄存器提供的,16,位偏移量來形成實際的,20,位物理地址。這個基地址就是,CPU,中的段寄存器。,在形成,20,位物理地址時，段寄存器中的,16,位數(shù)會自動左移,4,位，然后與,16,位偏移量相加，即可形成所需的內存地址。,,,10、段尋址方式微型機中采用了段尋址方式。,40,41,10、段尋址方式,4110、段尋址方式,41,42,4.4,典型指令,指令分類與基本指令類型,數(shù)據(jù)傳送類指令,一般傳送指令：,MOV AX,，,BX,數(shù)據(jù)交換指令：,XCHG,堆棧操作

26、指令：,PUSH,，,POP,運算類指令,算術運算指令：?加、減、乘、除以及加,1,、減,1,、比較,邏輯運算指令：,移位指令,程序控制類指令,程序控制類指令用于控制程序的執(zhí)行方向，并使程序具有測試、分析與判斷的能力。,輸入和輸出指令、字符串處理指令、特權指令、其他指令,424.4 典型指令指令分類與基本指令類型,42,43,4.4,典型指令,基本指令系統(tǒng),P122,表,4.9,介紹,20%,和,80%,規(guī)律：,CISC,中大約有,20%,的指令使用頻率高，占據(jù)了,80%,的處理機時間，而有,80%,的不常用指令只占用處理機的,20%,時間。,VLSI,技術發(fā)展引起的問題,VLSI,工藝要求規(guī)

27、整性，而大量復雜指令控制邏輯極其不規(guī)整，給,VLSI,工藝造成了很大的困難。,現(xiàn)在用微程序實現(xiàn)復雜指令與用簡單指令組成的子程序相比，沒有多大的區(qū)別。因為現(xiàn)在控制存儲器和主存的速度差縮小。,CISC,中，通過增強指令系統(tǒng)的功能，簡化了軟件，增加了硬件的復雜程度。然而指令復雜了，指令的執(zhí)行時間必然加長，從而使整個系統(tǒng)的執(zhí)行時間反而增加，因而在計算機體系結構設計中，軟硬件的功能分配必須恰當,434.4 典型指令 基本指令系統(tǒng),43,44,4.4,典型指令,RISC,特點（采用流水線技術）,簡單而統(tǒng)一格式的指令譯碼；,大部分指令可以單周期執(zhí)行,只有,LOAD/STORE,可以訪問存儲器,簡單的尋址方

28、式,采用延遲轉移技術,采用,LOAD,延遲技術,三地址指令格式,較多的寄存器,對稱的指令格式,444.4 典型指令 RISC,44,45,本 章 小 結,,一臺計算機中所有機器指令的集合，稱為這臺計算機的指令系統(tǒng)。指令系統(tǒng)是表征一臺計算機性能的重要因素，它的格式與功能不僅直接影響到機器的硬件結構，而且也影響到系統(tǒng)軟件。指令格式是指令字用二進制代碼表示的結構形式，通常由操作碼字段和地址碼字段組成。,45本 章 小 結 一臺計算機中所有機器,45,46,本 章 小 結,,操作碼字段表征指令的操作特性與功能，而地址碼字段指示操作數(shù)的地址。目前多采用二地址、單地址、零地址混合方式

29、的指令格式。指令字長度分為：單字長、半字長、雙字長三種形式。高檔微機采用,32,位長度的單字長形式。,46本 章 小 結 操作碼字段表征指令的,46,47,本 章 小 結,形成指令地址的方式，稱為指令尋址方式。有順序尋址和跳躍尋址兩種，由指令計數(shù)器來跟蹤。,形成操作數(shù)地址的方式，稱為數(shù)據(jù)尋址方式。操作數(shù)可放在專用寄存器、通用寄存器、內存和指令中。數(shù)據(jù)尋址方式有隱含尋址、立即尋址、直接尋址、間接尋址、寄存器尋址、寄存器間接尋址、相對尋址、基值尋址、變址尋址、塊尋址、段尋址等多種。按操作數(shù)的物理位置不同，有,RR,型和,RS,型。前者比后者執(zhí)行的速度快。,,,47本 章 小 結形成指令地址的方式，稱為指令尋址方式。有順,47,48,本 章 小 結,不同機器有不同的指令系統(tǒng)。一個較完善的指令系統(tǒng)應當包含數(shù)據(jù)傳送類指令、算術運算類指令、邏輯運算類指令、程序控制類指令、,I/O,類指令、字符串類指令、系統(tǒng)控制類指令。,RISC,指令系統(tǒng)是目前計算機發(fā)展的主流，也是,CISC,指令系統(tǒng)的改進，它的最大特點是：①指令條數(shù)少；②指令長度固定，指令格式和尋址方式種類少；③只有取數(shù),/,存數(shù)指令訪問存儲器，其余指令的操作均在寄存器之間進行。,,48本 章 小 結 不同機器有不同的指令系統(tǒng),48,