第四部分指令系统InstructionSystem.ppt
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1、第四章 指令系统 Instruction System,4.1 指令系统的发展与性能要求,什么是指令? 高级语言程序、汇编语言程序,都需编译或翻译程序转换为CPU识别的程序,即指令序列。 可被控制器识别的指令称为机器指令。 另外两种指令 微指令 一条机器指令翻译成一串微指令。 一条微指令代表发出的一组控制信号。 微程序存储于CPU内的控制存储器。 属于硬件。,4.1 指令系统的发展与性能要求,宏指令 特定的一串机器指令可完成稍复杂的运算,这串机器指令用一条宏指令表示。 属于软件。 什么是指令系统? 所有机器指令的集合,称指令系统。 指令系统就是指令集(Instruction Set)。 决定硬
2、件设计,是软件设计的基础,影响机器的适用范围。,4.1 指令系统的发展与性能要求,指令系统的发展 指令系统的规模 50年代,十几或几十条指令。 60年代,增加乘除法、浮点运算、十进制运算、字符处理指令,达到一二百条指令。 70年代,几百条,复杂指令系统的计算机(CISC,Complex Instuction Set Computer) 70年代,出现精简指令系统计算机(RISC,Reduced Instuction Set Computer ) 系列计算机 奔腾386,奔腾486,奔腾586,4.1 指令系统的发展与性能要求,指令系统 决定计算机的基本功能,是计算机设计的核心问题。 怎样确定指
3、令系统? 要求 完备性 类型丰富、功能齐全、使用方便; 乘除、浮点运算可由基本指令实现,也可用硬件实现。 有效性 占用存储少,执行速度快。,4.1 指令系统的发展与性能要求,要求 规整性 对称性 任何指令平等对待寄存器和存储器 匀齐性 一种操作性质的指令可支持各种数据类型 指令格式和数据格式的一致性 例如,指令字和数据字都是字节的倍数。 兼容性 系列机支持“向上兼容”,高档机包含低档机的全部指令。,4.1 指令系统的发展与性能要求,程序设计与指令集的关系 程序设计把待求解问题变换成计算机可识别的一串指令或语句。 程序用计算机语言表达。 计算机语言 高级语言(算法语言) C、Fortran、Ja
4、va、Pascal等; 方便描述求解过程,执行性能依赖编译程序; 与指令系统无关,故可移植。,4.1 指令系统的发展与性能要求,计算机语言 低级语言 机器语言(二进制语言)、汇编语言(符号语言); 面向机器编写,不可移植; 可最大程度挖掘机器功能。 高级语言提供与汇编语言的调用接口。,4.2 指令格式,指令字 表示一条指令的二进制位串。 简称指令。 指令格式 操作码 表示指令的操作特征与功能; 地址码 参与操作的操作数的地址。,4.2 指令格式,操作码 表示操作的性质。 例,加法、减法、乘法、取数、存数等。 控制器解释操作码,发出相应的控制信号。 操作码字段的长度 取决于指令系统的规模。 例,
5、如仅有8条指令,该字段占用3位就够了。 n位操作码字段,最多可表示2n条不同指令。,4.2 指令格式,地址码 一般的运算操作,涉及被操作数、操作数、操作结果。 按操作数个数分, 三地址指令 二地址指令 一地址指令 零地址指令 注意:这里不表示指令字是等长的! A反映ALU中哪个寄存器,也可反映哪个存储单元。,操作码,4.2 指令格式,地址码 零地址指令 例,停机指令(halt)。 一地址指令(单操作数指令) 隐含地以ALU中的累加器AC的内容做另一个操作数,结果仍送AC。 (AC) OP (A) AC 也有的确是一个操作数的情况。 OP (A) A 例:移位指令,4.2 指令格式,地址码 二地
6、址指令(双操作数指令) 第一个地址码兼做操作结果的地址。 (A1) OP (A2) A1 三地址指令 (A1) OP (A2) A3,4.2 指令格式,地址码 对于二地址指令 存储器-存储器(SS,Storage - Storage)指令 三次访问主存,费时! 寄存器-寄存器(RR,Register - Register)指令 不访问主存,速度快! 寄存器-存储器(RS ,Register - Storage)指令 既访问主存,又访问寄存器。,4.2 指令格式,指令字长度 操作码字段和操作数字段的总位数。 机器字长 计算机能直接处理的二进制位数,一般是ALU位数。 一般等于存储器字长,即一次访
7、存得到的位数。,4.2 指令格式,指令字长度 按长度分, 单字长指令 指令字长度等于机器字长度。 半字长指令 双字长指令 例 IBM370系列中,有16位(半字)、32位、48位等指令; Pentium系列中,有8位、16位、32位和64位指令。,4.2 指令格式,指令助记符 不同机器的指令助记符不完全一样!,4.2 指令格式,指令格式举例 8位微机的指令格式 单字长指令 双字长指令 三字长指令 内存按字节编址 每执行一条指令, 指令地址加多少? 对于单字长指令,加1; 对于双字长指令,加2; 对于三字长指令,加3。,操作码,8位,8位,8位,1.1 指令系统的发展与性能要求,指令格式举例 1
8、6位小型机PDP/11的指令格式 单字长指令 还有一些超过单字长的指令,1.1 指令系统的发展与性能要求,指令格式举例 Pentium指令格式 指令长度从1字节到12字节。 Pentium是典型的CISC。,1.1 指令系统的发展与性能要求,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。 解: 这是二地址指令。 OP为操作码字段,可表示128条指令。 源和目标寄存器都是通用寄存器,支持从16个寄存器中选择哪个做源或目标寄存器。 RR型指令。这种指令一般是算逻运算指令。,1.1 指令系统的发展与性能要求,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。 解: 这是双
9、字长二地址指令,RS型指令。 操作码字段6位,可表示64条指令。 源操作数在寄存器里,源寄存器从16个寄存器中指定;目标操作数在存储器里,结果也放存储器。,4.3 指令和数据的寻址方式,寻址方式 指令或数据的位置可按地址(编号)、内容、栈顶指针确定。 确定指令或操作数的地址的方式,称为寻址方式。 指令的寻址方式 顺序寻址 设置程序计数器(或称指令计数器),每执行一条指令,计数器加1; 把计数器内容作为指令的存储地址。,4.3 指令和数据的寻址方式,指令的寻址方式 跳跃寻址 下条指令的地址,不是计数器给出的,而是当前指令指定的! 用于缩短程序长度(如循环),引用公共程序。,4.3 指令和数据的寻
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