第七讲 指令系统1第4章

第四章指令系统 1 2 考研计算机统考大纲要求 一 指令格式指令的基本格式定长操作码指令格式扩展操作码指令格式 二 指令的寻址方式有效地址的概念数据寻址和指令寻址常见寻址方式 三 CISC和RISC的基本概念 重点掌握 指令系统的基本概念指令格式操作数的类型 第一讲指令系统的基础知识 3 思考 程序指令 4 5 指令系统的发展 程序 用于解决实际问题的一系列的指令 指令 使计算机执行某种操作的命令 从组成的层次结构来说 计算机的指令可分为如下3类 微指令 微程序级的命令 它属于硬件 机器指令 指令 可完成一个独立的算术或逻辑运算 宏指令 由若干条机器指令组成的软件指令 它属于软件 指令系统 一台计算机中所有机器指令的集合 直接影响机器的硬件结构 软件系统 以及机器的适用范围 6 计算机指令系统的发展过程 50年代只有定点加减 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 寻址方式也趋多样化 出现了系列计算机 70年代末期复杂指令系统计算机 CISC 精简指令系统计算机 RISC 7 系列计算机 基本指令系统 基本体系结构相同的一系列计算机 但具体的器件 结构和性能都不会完全相同 一般 新机种在各方面要优于旧机种 一个系列往往有多种型号 各型号计算机的指令系统是向下兼容的 新机种的指令系统包含旧机种的全部指令 如Pentium系列PC机 8 CISC CISC complexinstructionsetcomputer 采用复杂的的指令系统 来达到增强计算机的功能 提高机器速度的目的 特点 指令系统复杂庞大 指令数目多 指令格式多 字长不固定 多种寻址方式 可访存指令不受限制 各种指令的执行时间相差很大 大都采用微程序控制器 9 RISC RISC Reducedinstructionsetcomputer 从简化指令系统和优化硬件设计的角度来提高系统的性能与速度 RISC指令系统的主要特点 选取使用频率高的简单指令 指令长度固定 指令格式少 寻址方式种类少 采用流水线技术 使用较多的通用寄存器 减少访存 控制器以组合逻辑控制为主 采用优化编译技术 10 判断以下有关CISC和RISC的描述的正误 采用RISC技术后 计算机的体系结构又回复到早期比较简单的情况 为了实现兼容 新设计的RISC 是从原来CISC系统的指令系统中挑选一部分实现的 RISC的主要目的是减少指令 RISC设有乘 除法指令和浮点运算指令 11 指令系统性能的要求 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常用指令齐全 编程方便 有效性程序占用内存少 运行速度快 规整性指令和数据的使用规则统一 易学易记 兼容性同一系列的低档计算机的程序能够在新的高档计算机上运行 12 指令系统的规整性要求 规整性包括对称性 匀齐性 指令格式和数据格式的一致性三方面的要求 对称性所有的指令都可使用各种寻址方式 匀齐性一种操作性质的指令可以支持各种数据类型 指令格式和数据格式的一致性指令长度和数据长度有一定的关系 以方便处理和存取 13 低级语言与硬件结构的关系 低级语言 面向机器的语言 和具体机器的指令系统密切相关 高级语言与低级语言的比较 机器语言 汇编语言 14 指令格式 操作码地址码指令字长度指令助记符指令格式举例 15 指令的一般格式 指令字 简称指令 表示一条指令的机器字 指令格式指令字用二进制代码表示的结构形式 由操作码字段和地址码字段组成 操作码字段 表征指令的操作特性与功能 地址码 操作数 字段 通常指定参与操作的操作数的地址 16 操作码 操作码字段的位数取决于指令系统的规模 操作码的类型 固定长度的操作码特征 所有指令长度均相同 优点 控制简单 速度快 适用于指令条数不多的场合 用于指令字长较长的大型 中型 超级小型计算机及RISC中 可变长度的操作码特征 频繁使用的指令用位数较少的操作码 不常使用的指令可利用操作码扩展技术进行扩展 优点 充分利用软硬件资源 适用于大规模的指令系统 字长较短的小型或微型计算机中 操作码字段为4位 则指令系统中的指令数目为24 16条 17 地址码 操作数 1 4 地址码结构包括 指令中需要几个地址 指令格式 地址如何给出 寻址方式 地址码长度地址码格式 一条指令格式中有几个地址码字段 就称为是几地址指令 18 地址码 操作数 2 4 零地址指令无任何操作数运算 如NOP HALT等指令 单操作数运算 隐含一个操作数 如Acc OP Acc Acc一地址指令单操作数运算 OP A1 A1双操作数运算 隐含一个操作数 如Acc Acc OP A1 Acc A1 如INC指令 如MUL指令 如CBW指令 19 地址码 3 4 两地址指令功能 A1 OP A2 A1 PC 下一条指令地址三地址指令功能 A1 OP A2 A3 PC 下一条指令地址多地址指令 如四地址 这类指令功能强 一般用高档小型机或中大型机 用于实现成批数据处理 字符串处理 向量或矩阵运算指令等 如ADD XOR等指令 20 地址码 4 4 缩短指令长度的方法 结果存放在目的操作数地址中 用CPU中的寄存器隐含一个OP数 把地址隐含在寄存器中 21 存储器 存储器 SS 型指令A1 A2均为存储单元 这类指令的执行需要多次访存 寄存器 寄存器 RR 型指令A1 A2均为寄存器 通用寄存器 专用寄存器 这类指令的执行不需要访存 因此速度很快 寄存器 存储器 RS 型指令A1 A2中一个为寄存器 一个为存储单元 执行此类指令时 既要访问内存单元 又要访问寄存器 两地址指令的分类 根据操作数的物理位置分 哪种类型指令执行速度较快 哪种指令较慢 为什么 22 指令的操作码扩展技术 补充 一个指令系统中若操作码长度固定且指令格式不同 指令格式如右 操作码字段长度取决于指令系统中的指令总数目 地址码较少的指令 编码浪费 操作码扩展对于不需要某个地址码的指令 把它们的操作码扩充到该地址字段 既充分利用指令字的各字段 又在不增加指令长度的情况下扩展操作码的长度 无用 无用 无用 无用 无用 无用 23 设某指令长16位 包括4位基本操作码字段和3个4位地址码字段 若全是三地址指令 则最多能有多少条指令 操作码为4位的 则指令条数为24 16 若三地址指令需15条 两地址指令需15条 应如何安排 单地址指令需15条 零地址指令需16条 可使用操作码扩展技术 缩短固定操作码长度 操作码扩展举例 1 3 24 0000A1A2A3 1110A1A2A311110000A1A2 11111110A1A2111111110000A1 111111111110A11111111111110000 1111111111111111 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 此指令系统共具有61条指令 4位操作码 8位操作码 12位操作码 16位操作码 如果采用操作码扩展方法能否设计一个具有三地址指令15条 双地址指令12条 单地址指令31条以及零地址指令16条的指令系统 操作码扩展举例 2 3 25 0000A1A2A3 1110A1A2A311110000A1A2 11111011A1A2111111000000A1 111111011111A11111111000000000 1111111000001111 15条三地址指令 12条二地址指令 32条一地址指令 16条零地址指令 此指令系统共具有75条指令 操作码扩展举例 3 3 4位操作码 8位操作码 12位操作码 16位操作码 26 例 某机指令字长32位 一个操作数地址为12位 有双地址码 单地址码 零地址码3种格式的指令 若采用扩展操作码的方式来设计指令 已知双地址码指令K条 单地址码指令L条 问零地址码指令有多少条 双地址码指令操作码长度为 32 12 2 8位 单地址码指令操作码长度为 32 12 20位 操作码的可扩展位为20 8 12位 零地址码指令操作码长度为32位操作码的可扩展位为32 20 12位 27 例 某机指令字长32位 一个操作数地址为12位 有双地址码 单地址码 零地址码3种格式的指令 若采用扩展操作码的方式来设计指令 已知双地址码指令K条 单地址码指令L条 问零地址码指令有多少条 由以上分析的指令格式 及题目可知 双地址码指令最多有28条 可用于扩展单地址码指令的编码有 28 K 个 单地址码指令最多有 28 K 212条 可用于扩展零地址码指令的编码有 28 K 212 L 个 因此 零地址码指令最多有 28 K 212 L 212条 28 机器字长运算器一次能处理的二进制数的位数 机器指令的长度直接决定着CPU运算的精度和直接寻址能力的大小 指令字长一个指令字中包含二进制代码的位数 指令字长由操作码长度 操作数长度和个数共同决定 指令有半字长 单字长 双字长 多字长等不同的长度类型 指令系统可分为等长指令字结构 变长指令字结构两种 指令字长度 29 指令助记符 指令助记符使用3 4个英文缩写字母来表示的指令操作码 在不同的计算机中 指令助记符的规定是不一样的 指令助记符只是指令操作码字段的一种表示方法 机器内部保存的还是二进制代码形式的机器指令 由汇编或编译程序 将助记符翻译成机器代码 30 指令格式举例 1 2 例1 某16位系统中 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 指令字长为 操作数的数目为 个 该指令格式的指令最多可有 条 根据此二地址指令的操作数位置来看 属于 型指令 RS型 RR型 SS型这种指令结构常用于 类指令 单字长 两 128 RR 算术逻辑运算 单字长二地址指令 31 指令格式举例 2 2 例2 某16位系统中 指令格式如下所示 OP为操作码字段 试分析指令格式特点 指令字长为 操作数的数目为 个 操作码字段OP为 位 可以指定 种操作 一