計算機組成原理白中英第四章指令系統(tǒng).ppt

第四章 指令系統(tǒng),概述 尋址方式 指令系統(tǒng),2020年8月13日12時45分,概 述,指令：是指示計算機某種操作的命令。 微指令，機器指令，宏指令 指令系統(tǒng)：一臺計算機中所有機器指令的集合。 它是機器硬件設(shè)計的依據(jù)，也是軟件設(shè)計的基礎(chǔ)。 它決定了一臺計算機硬件的主要性能和基本功能。是硬件和軟件間的界面。 系列計算機：有共同的指令集，相同的基本體系結(jié)構(gòu)。 CISC和RISC,2020年8月13日12時45分,一個完善的指令系統(tǒng)應滿足： 1.完備性：指令豐富，功能齊全，使用方便。 2.有效性：程序占空間小，執(zhí)行速度快。 3.規(guī)整性：對稱性，勻齊性，指令格式和數(shù)據(jù)格式的一致性。 4.兼容性： “向上兼容”-系列機中低檔機上運行的軟件可以在高檔機上運行。,2020年8月13日12時45分,計算機語言與硬件結(jié)構(gòu)的關(guān)系,高級語言的語句和用法與具體機器的指令系統(tǒng)無關(guān)； 低級語言分機器語言和匯編語言，他們和具體機器的指令系統(tǒng)密切相關(guān)。 匯編語言與硬件的關(guān)系密切，編寫的程序緊湊、占內(nèi)存小、速度快，特別適合與編寫經(jīng)常與硬件打交道的系統(tǒng)軟件；而高級語言不涉及機器的硬件結(jié)構(gòu)，通用性強、編寫程序容易，特別適合與編寫與硬件沒有直接關(guān)系的應用軟件。,2020年8月13日12時45分,概 述,機器指令的要素 操作碼 源操作數(shù) 目的操作數(shù) 下一條指令的引用 指令字（簡稱指令）即表示一條指令的機器字。 指令格式則是指令字用二進制代碼表示的結(jié)構(gòu)形式，由操作碼字段和地址碼字段組成。,2020年8月13日12時45分,1操作碼 設(shè)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。 指令操作碼表示該指令進行什么性質(zhì)的操作, 表征指令的操作特性與功能。 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。 例如，一個指令系統(tǒng)只有8條指令，則有3位操作碼就夠；如果有32條指令，那么就需要5位操作碼。,2020年8月13日12時45分,2地址碼 地址碼字段通常指定參與操作的操作數(shù)的地址。 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。目前，二地址指令和一地址指令用的最多。,2020年8月13日12時45分,(1)零地址指令的指令字中只有操作碼，而沒有地址碼。 (2)一地址指令常稱為單操作數(shù)指令。 OP (A) - A (AC) OP (A) - AC (3)二地址指令常稱為雙操作數(shù)指令。 (A1) OP (A2)-A1 (4)三地址指令字中有三個操作數(shù)地址。 (A1) OP (A2)-A3 OP表示操作性質(zhì);（AC）表示累加寄存器AC中的數(shù)；（A）表示內(nèi)存中地址為A的存儲單元中的數(shù)或運算器中地址為A的通用寄存器中的數(shù)；表示把操作（運算）結(jié)果傳送到指定的地方。,2020年8月13日12時45分,二地址指令格式中，從操作數(shù)的物理位置來說，又可歸結(jié)為三種類型。 存儲器-存儲器（SS）型指令：操作時都是涉及內(nèi)存單元，參與操作的數(shù)都放在內(nèi)存里，從內(nèi)存某單元中取操作數(shù)，操作結(jié)果存放至內(nèi)存另一單元中，因此機器執(zhí)行這種指令需要多次訪問內(nèi)存。 寄存器-寄存器（RR）型指令：需要多個通用寄存器或個別專用寄存器，從寄存器中取操作數(shù)，把操作結(jié)果放到另一寄存器。機器執(zhí)行寄存器-寄存器型指令的速度很快，因為執(zhí)行這類指令，不需要訪問內(nèi)存。 寄存器-寄存器（RS）型指令：執(zhí)行此類指令時，既要訪問內(nèi)存單元，又要訪問寄存器。,2020年8月13日12時45分,3指令字長度 一個指令字中包含二進制代碼的位數(shù)，稱為指令字長度。而機器字長是指計算機能直接處理的二進制數(shù)據(jù)的位數(shù)，與主存單元的位數(shù)一致，它決定了計算機的運算精度。,它們之間關(guān)系如上：其中L為指令字長度，N為機器字長度,2020年8月13日12時45分,使用多字長指令，目的在于提供足夠的地址位來解決訪問內(nèi)存任何單元的尋址問題。其主要缺點是必須兩次或多次訪問內(nèi)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。 等長指令字結(jié)構(gòu):各種指令字長度是相等的。這種指令字結(jié)構(gòu)簡單，且指令字長度是不變的。 變長指令字結(jié)構(gòu):各種指令字長度隨指令功能而異。結(jié)構(gòu)靈活，能充分利用指令長度，但指令的控制較復雜。,2020年8月13日12時45分,4.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。 在不同的計算機中，指令助記符的規(guī)定是不一樣的。因此，指令助記符還必須轉(zhuǎn)換成與它們相對應的二進制碼。,2020年8月13日12時45分,指令格式舉例 八位微型計算機的指令格式 8位微型機字長只有8位，指令結(jié)構(gòu)是一種可變字長形式，包含單字長、雙字長、三字長指令等多種。 內(nèi)存按字節(jié)編址，所以單字長指令每執(zhí)行一條指令后，指令地址加。雙字長指令或三字長指令每執(zhí)行一條指令時，指令地址要加2或加3，可見多字長的指令格式不利于提高機器速度。,2020年8月13日12時45分,指令和指令系統(tǒng)指令的使用,一般的操作數(shù)類型大小選擇主要有：字節(jié)、半字（16位）、單字（32位）、和雙字（64位）。,2020年8月13日12時45分,例：指令格式如下所示，其中機器字長16位，OP為操作碼，試分析指令格式的特點。,解： (1)單字長二進制指令。 (2)操作碼字段OP可以指定27=128條指令。 (3)源寄存器和目標寄存器都是通用寄存器（可分別指定16個），所以是RR型指令，兩個操作數(shù)均在寄存器中。 (4)這種指令結(jié)構(gòu)常用于算術(shù)邏輯運算類指令。,2020年8月13日12時45分,例： 指令格式如下所示，OP為操作碼字段，試分析指令格式特點。,15 10 7 4 3 0,解： （1）雙字長二地址指令，用于訪問存儲器。 （2）操作碼字段OP為6位，可以指定64種操作。 （3）一個操作數(shù)在源寄存器（共16個），另一個操作數(shù)在存儲器中（由變址寄存器和位移量決定）所以是RS型指令。,2020年8月13日12時45分,指令和數(shù)據(jù)的尋址方式,指令的尋址方式 計算機中有兩種信息。即指令和數(shù)據(jù)（或稱操作數(shù)），它們都存放在存儲器相應的地址中。運行程序時，計算機逐條執(zhí)行指令，并對數(shù)據(jù)進行處理。如何從存儲器中找到所需要的指令或數(shù)據(jù)呢？很明顯，只要找到它們在存儲器的有效地址即可。 所謂尋址方式，就是尋找指令或操作數(shù)的有效地址的方式。 順序?qū)ぶ贩绞剑喊凑罩噶钤趦?nèi)存的存放位置順序地取出指令，然后執(zhí)行的過程，為順序?qū)ぶ贩绞健?跳躍尋址方式：程序轉(zhuǎn)移執(zhí)行的順序。,2020年8月13日12時45分,1.順序?qū)ぶ?為了達到順序?qū)ぶ返哪康模珻PU中必須有一個程序計數(shù)器（PC）對指令的順序號進行計數(shù)。PC中開始時存放程序的首地址，然后每執(zhí)行一條指令，PC加 1，以指出下條指令的地址，直到程序結(jié)束。,2020年8月13日12時45分,2. 跳躍尋址 當程序中出現(xiàn)分支或循環(huán)時，就會改變程序的執(zhí)行順序。此時，對指令尋址就要采取跳躍尋址方式。所謂跳躍，就是指下條指令的地址不是通過程序計數(shù)器PC加1獲得的，而是由指令本身給出。,2020年8月13日12時45分,操作數(shù)的尋址方式 隱含尋址 立即尋址 直接尋址 間接尋址 寄存器尋址方式和寄存器間接尋址方式 相對尋址方式 基值尋址方式 變址尋址方式 塊尋址方式 段尋址方式,2020年8月13日12時45分,指令和數(shù)據(jù)的尋址方式,隱含尋址 這種類型的指令，不是明顯地給出操作數(shù)的地址，而是指令中隱含著操作數(shù)的地址。 在指令中不明顯的給出而是隱含著操作數(shù)的地址。例如，單地址的指令格式，沒有在地址字段中指明第二操作數(shù)地址，而是規(guī)定累加寄存器AC作為第二操作數(shù)地址，AC對單地址指令格式來說是隱含地址。,2020年8月13日12時45分,指令和數(shù)據(jù)的尋址方式,立即地址 指令的地址字段指出的不是操作數(shù)的地址，而是操作數(shù)本身，這種尋址方式稱為立即尋址。立即尋址方式的特點是指令執(zhí)行時間很短，因為它不需要訪問內(nèi)存取數(shù)，從而節(jié)省了訪問內(nèi)存的時間。 例如：單地址的移位指令格式為,這里，D不表示地址，而是表示某寄存器中存放的操作數(shù)需要移位的次數(shù)，因此D可看做移位指令的操作數(shù)。F為標志位，當F=1時，進行右移；當F=0時，進行左移。,2020年8月13日12時45分,指令和數(shù)據(jù)的尋址方式,直接尋址 直接尋址是一種基本的尋址方法，其特點是：在指令格式的地址字段中直接指出操作數(shù)在內(nèi)存的地址D。由于操作數(shù)的地址直接給出而不需要經(jīng)過某種變換或運算，所以稱這種尋址方式為直接尋址方式。,2020年8月13日12時45分,指令和數(shù)據(jù)的尋址方式,間接尋址 間接尋址是相對于直接尋址而言的，在間接尋址的情況下，指令地址字段中的形式地址D不是操作數(shù)的真正地址，而是操作數(shù)地址的指示器，或者說D單元的內(nèi)容才是操作數(shù)的有效地址。,2020年8月13日12時45分,指令和數(shù)據(jù)的尋址方式,2020年8月13日12時45分,指令和數(shù)據(jù)的尋址方式,寄存器尋址和寄存器間接尋址方式 當操作數(shù)不放在內(nèi)存中，而是放在中央處理器的通用寄存器中時，可采用寄存器尋址方式。顯然，此時指令中給出的操作數(shù)地址不是內(nèi)存的地址單元號，而是通用寄存器的編號，操作數(shù)在CPU的內(nèi)部寄存器中。如：(AX，BX，CX，DX) 寄存器間接尋址方式與寄存器尋址方式的區(qū)別在于：指令格式中的寄存器內(nèi)容不是操作數(shù)，而是操作數(shù)的地址，該地址指明的操作數(shù)在內(nèi)存中。,2020年8月13日12時45分,指令和數(shù)據(jù)的尋址方式,相對尋址 把程序計數(shù)器PC的內(nèi)容加上指令格式中的形式地址D而形成操作數(shù)有效地址。程序計數(shù)器的內(nèi)容就是當前指令的地址。 因此，所謂“相對”尋址，就是相對于當前指令地址而言。采用相對尋址方式的好處是程序員勿需用指令的絕對地址編程，因而所編程序可以放在內(nèi)存任何地方。,2020年8月13日12時45分,指令和數(shù)據(jù)的尋址方式,假設(shè)D=1000H，PC=2000H，則有效地址=（PC）+D =2000H+1000H=3000H 操作數(shù)=（3000H）=1234H,2020年8月13日12時45分,指令和數(shù)據(jù)的尋址方式,變址和基值尋址方式 變址尋址方式與基值尋址方式有點類似，它們都是把某個變址寄存器或基值寄存器的內(nèi)容，加上指令格式中的形式地址而形成操作數(shù)的有效地址。 但使用變址尋址方式的目的不在于擴大尋址空間，而在于實現(xiàn)程序塊的規(guī)律變化。,2020年8月13日12時45分,指令和數(shù)據(jù)的尋址方式,E=S=D+(A),2020年8月13日12時45分,指令和數(shù)據(jù)的尋址方式,復合尋址方式 復合尋址方式是把間接尋址方式同相對尋址方式或變址相結(jié)合而形成的尋址方式。它分為先間接方式與后間接方式兩種。 （1）變址間接式 這種尋址方式是先把變址寄存器的內(nèi)容A和形式地址D相加得A+D，然后間接尋址，求得操作數(shù)的有效地址。操作數(shù)的有效地址為E=（A+D）,2020年8月13日12時45分,指令和數(shù)據(jù)的尋址方式,假設(shè)變址寄存器A的值為0050H，D=1000H，則有效地址=（A）+D）=（0050H+1000H）=2345H 操作數(shù)=（2000H）=2345H,2020年8月13日12時45分,指令和數(shù)據(jù)的尋址方式,（2）間接變址式 這種尋址方式是先將形式地址取間接變換（D）=N然后把N和變址寄存器的內(nèi)容A相加，即得操作數(shù)的有效地址。操作數(shù)的有效地址表達式為E=A+（D）=A+N,2020年8月13日12時45分,指令和數(shù)據(jù)的尋址方式,假設(shè)變址寄存器A的值為0050H，D=1000H， 則有效地址=A+（D） =0050H+（1000H）=0050+2000 =2050H 操作數(shù)=（2050H）=3456H,2000H,3456H,2020年8月13日12時45分,指令和數(shù)據(jù)的尋址方式,塊尋址： 通常在指令中指出數(shù)據(jù)塊的起始地址和數(shù)據(jù)塊的長度，常用在輸入輸出指令中。 多用于I/O指令。對順序連續(xù)的成塊數(shù)據(jù)字進行尋址。 目的：壓縮程序的長度，加塊執(zhí)行速度。 用于：1）兩個部件間的數(shù)據(jù)交換； 2）程序，數(shù)據(jù)塊的浮動。 若塊的長度可變，格式如下：,2020年8月13日12時45分,指令和數(shù)據(jù)的尋址方式,段尋址 以8086的段尋址為例。這種尋址方式的實質(zhì)是基值尋址。Intel 8086/8088微機中，ALU16位運算，但其尋址范圍可到1M，即地址有20位。,2020年8月13日12時45分,操作數(shù)尋址方式設(shè)計的要求,1.指令內(nèi)包含的地址盡可能短； 短地址指令占存儲空間小，且能減少存儲時間。 2.能訪問盡可能大的存儲空間； 3.地址能隱含在寄存器里； 寄存器字長與機器字長相同,一般對應整個存儲空間。這樣在發(fā)生大跨步跳躍時,用短指令也行。 4.希望在不改變指令的情況下改變地址的實際值；能夠處理數(shù)組,表格或數(shù)據(jù)串。 5.尋址方式盡可能簡單。,2020年8月13日12時45分,例：一種二地址RS型指令的結(jié)構(gòu)如下所示：其中I為間接尋址標志位，X為尋址模式字段，D位偏移量字段。通過I，X，D的組合，可構(gòu)成下表所示的尋址方式。 請寫出六種尋址方式的名稱。,解： 直接尋址 相對尋址 變址尋址 寄存器間接尋址 間接尋址基址尋址,6位 4位1位 2位16位,2020年8月13日12時45分,堆棧尋址方式,堆棧-能存取數(shù)據(jù)的暫時存儲單元. 一.串聯(lián)堆棧 一組專門的寄存器，一個R保存一個數(shù)據(jù)。 數(shù)據(jù)的傳送在棧頂和累加器之間進行。 特點:速度高，后進先出。 A B C D,缺點： 1、寄存器的數(shù)目有限的 2、堆棧讀出是破壞性的,2020年8月13日12時45分,二.存儲器堆棧 用一部分主存空間作堆棧. 優(yōu)點: 1.長度可隨意; 2.堆棧的數(shù)目可隨意指定; 3.尋址簡單-用訪內(nèi)指令. 硬件支持: SP-堆棧指示器(棧指針),CPU中一個專門寄存器。 SP的內(nèi)容是棧頂?shù)膯卧刂贰８淖僑P的內(nèi)容即可移動棧頂?shù)奈恢谩?注意:主存中某一部分作為堆棧區(qū)后，該部分不能作其它用途。,2020年8月13日12時45分,一) 進棧-累加器中的數(shù)送堆棧保存. （AC）Msp (sp) 1 sp 97 97 AC 98 AC 98 99 99-sp 100 -sp 100 97 AC 98-sp 99 100,2020年8月13日12時45分,二)出棧-將堆棧中的數(shù)取出送累加器. (sp)+1 sp (Msp) AC 97 97 98sp 98 99 AC 99-sp 100 100 97 98 99 100,2020年8月13日12時45分,8086 堆棧指令 設(shè)sp的初值 MOV sp, im 采用下推式 （PUSH DOWN） 堆棧的最大容量為sp的初值與ss間的距離。 例：PUSH AX 分兩次完成：AH sp, (sp) 1 sp AL sp, (sp) 1 sp 注意： 存儲器堆棧中，進棧時先存入數(shù)據(jù)，后修改堆棧指示器；出棧時，先修改堆棧指示器，然后取出數(shù)據(jù)。,2020年8月13日12時45分,典型指令 一臺計算機最基本的、必不可少的指令是不多的，因為很多指令都可以用這些最基本的指令組合來實現(xiàn)。 既可以直接用硬件實現(xiàn)，也可以用其他指令編成子程序來實現(xiàn)，但兩者在執(zhí)行時間上差別很大，因此在指令系統(tǒng)中，有相當一部分指令是為了提高程序的執(zhí)行速度和便于程序員編寫程序而設(shè)置的。 另外，指令系統(tǒng)的有效性還表現(xiàn)在用它所編制的程序占用的存儲器空間小。,2020年8月13日12時45分,分類（8088/8086） 1.數(shù)據(jù)傳送類 取數(shù) MOV AX，TEMP 存數(shù) MOV TEMP，AX 傳送 MOV AX，CX 2.算術(shù)運算類 定點，ADD，ADC，INC，SUB，DEC，MUL，DIV等 浮點， ，求反，求補 NEG，比較 CMP 3.邏輯運算類 NOT，AND，OR，XOR，TEST,2020年8月13日12時45分,4.程序控制類 無條件轉(zhuǎn)移 JMP 條件轉(zhuǎn)移 C，Z，S，P，O 轉(zhuǎn)子程序 JSR 子程序返回 RET 中斷返回 IRET 5.輸入/輸出類 IN AX，n OUT n, AX 6.其他類 標志操作：CLC（clear carry flag) STC (set carry flag) CLI (clear interrupt elable flag) HLT，WAIT，ESC，LOCK,2020年8月13日12時45分,指令和指令系統(tǒng)指令的使用,2020年8月13日12時45分,指令和指令系統(tǒng)指令的使用,2020年8月13日12時45分,CISC和RISC,CISC：復雜指令系統(tǒng) RISC：精簡指令系統(tǒng),2020年8月13日12時45分,CISC和RISC問題的提出,CISC的問題 龐大的指令集 紛繁復雜的尋址模式 硬件實現(xiàn)復雜（硬件資源的利用率低）,2020年8月13日12時45分,精簡指令集結(jié)構(gòu),RISC的理由 減小代碼空間 精簡指令集結(jié)構(gòu)的特征 每周期一條指令 寄存器-寄存器操作（除Load/Store類型結(jié)構(gòu)） 簡單的尋址方式 簡單的指令格式,2020年8月13日12時45分,RISC指令系統(tǒng)的最大特點是： 選取使用頻率最高的一些簡單指令，指令條數(shù)少； 指令長度固定，指令格式種類少； 只有取數(shù)存數(shù)指令訪問存儲器，其余指令的操作都在寄存器之間進行。,2020年8月13日12時45分,例題：分析指令格式及尋址方式特點。 15 12 11 9 8 65 3 2 0 源地址 目標地址 答：指令格式及尋址方式的特點如下： 1）單字長二地址指令； 2）操作碼可指定16條指令； 3）源和目的均有8種尋址方式； 4）源地址寄存器和目的地址寄存器均有8個。,