优·第五章 指令系统.ppt

计算机组成与结构 本课程主要讲授计算机系统的硬件和软件构成方法，包括硬件系统中运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备和总线系统的构成原理等；并与当代先进的计算机技术相结合。是计算机科学与技术本科专业核心课程。 本课程着重计算机系统组成与结构方面的教学和研究。 计算机结构定义为系统程序员所能见到的计算机硬件特性； 计算机组成是指计算机硬件的具体实现。 第五章 指令系统 指令系统的发展 指令格式与数据表示 寻址方式（编址方式） 指令类型与指令系统的兼容性 RISC和CISC 指令系统举例 5.1 指令系统的发展 计算机系统主要由硬件(Hardware)和软件(Software)两部分组成。所谓硬件就是由中央处理机(CPU)、存储器以及外部设备等组成的实际装置。软件则是为便于用户使用计算机而编写的各种程序，最终转换成一系列机器指令后在计算机上执行。 计算机的性能与它所设置的指令系统有很大的关系，而指令系统的设置又与机器的硬件结构密切相关。通常性能较好的计算机都设置有功能齐全、通用性强、指令丰富的指令系统，但这需要复杂的硬件结构来支持。 5.1 指令系统的发展 在20世纪50年代和60年代早期，由于计算机采用分立元件(电子管或晶体管)，其体积庞大，价格昂贵，因此，大多数计算机的硬件结构比较简单。所支持的 指令系统一般只有定点加减、逻辑运算、数据传送和转移等十几至几十条最基本的指令，而且寻址方式简单。 到60年代中、后期，随着集成电路的出现，计算机的价格不断下降，硬件功能不断增强，指令系统也越来越丰富。除了具有以上最基本的指令以外，还设置了乘除法运算指令、浮点运算指令、十进制运算指令以及字符串处理指令等，指令数多达一、二百条，寻址方式也趋于多样化。 5.1 指令系统的发展 随着集成电路的发展和计算机应用领域的不断扩大，计算机的软件价格相对不断提高。为了继承已有的软件，减少软件的开发费用，人们迫切希望各机器上的软件能够兼容，以便在旧机器上编制的各种软件也能在新的、性能更好的机器上正确运行，因此，在60年代出现了系列(series)计算机。 所谓系列计算机是指基本指令系统相同，基本体系结构相同的一系列计算机，如IBM370系列，VAX—11系列，IBMPC(XT／AT／286／386／486／Pentium)微机系列等。 5.1 指令系统的发展 一个系列往往有多种型号，各型号的基本结构相同，但由于推出的时间不同，所采用的器件也不同，因此在结构和性能上可以有很大差异。通常是新推出的机种在性能和价格方面要比早推出的机种优越。系列机能解决软件兼容问题的必要条件是该系列的各机种有共同的指令集，而且新推出的机种的指令系统一定包含旧机种的所有指令，因此 在旧机种上运行各种软件可以不加任何修改地在新机种上运行。 5.1 指令系统的发展 计算机发展至今，其硬件结构随着超大规模集成电路(VLSI)技术的飞速发展而越来越复杂化，所支持的指令系统也趋于多用途、强功能化。指令系统的改进是围绕着缩小指令与高级语言的语义差异以及有利于操作系统的优化而进行的。例如，高级语言中的实数计算是通过浮点运算实现的，因此对用于科学计算的计算机来讲，如能设置浮点运算指令能显著提高运算速度；另外在高级语言程序中经常用到IF语句、DO语句等，为此设置功能较强的条件转移指令是有好处的；为了便于程序嵌套，设置了调用指令(Call)和返回指令(Return)等。上述这些措施都是为了便于高级语言程序编译以及提高机器运行速度而采取的，这对简化汇编语言程序设计也是很有利的。 5.1 指令系统的发展 为了便于操作系统的实现和优化，还设置有控制系统状态的特权指令、管理多道程序和多处理机系统的专用指令等。然而，指令结构太复杂也会带来一些不利的因素，如设计周期长，正确性难以保证且不易维护等；此外，实验证明，在如此庞大的指令系统中，只有诸如算术、逻辑运算、数据传送、转移和子程序调用等几十条最基本的指令才是经常使用的，而需要大量硬件支持的大多数较复杂的指令却利用率很低，造成硬件资源的极大浪费。 为了解决这个问题，在70年代末人们提出了便于VLSI实现的精简指令系统计算机，简称RISC(见5．7节)。 5.2 指令格式与数据表示 一、指令格式 计算机是通过执行指令来处理各种数据的。为了指出数据的来源、操作结果的去向及所执行的操作，一条指令必须包含下列信息： (1)操作码，具体说明了操作的性质及功能。一台计算机可能有几十条至几百条指令，每一条指令都有一个相应的操作码，计算机通过识别该操作码来完成不同操作。 (2)操作数的地址。CPU通过该地址就可以取得所需的操作数。 5.2 指令格式与数据表示 (3)操作结果的存储地址。把对操作数的处理所产生的结果保存在该地址中