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第五章 指令系统 教学目标 了解指令系统的发展与性能要求 掌握指令格式和寻址方式 教学重点 指令格式 扩展操作码 寻址方式 教学过程 5.1 指令系统的发展 5.2 指令格式 5.3 寻址方式 5.4 指令类型 5.5 指令系统的设计技术 5.6 指令系统举例 课堂练习 本章小结 作业 5.1 指令系统的发展 计算机的程序是有一系列的机器指令组成的。 指令就是要计算机执行某种操作的命令。 从计算机组成的层次结构来说，计算机的指令有微指令、机器指令和宏指令之分。 微指令：是微程序级的命令，它属于硬件。 宏指令：是由若干条机器指令组成的软件指令，它属于软件。 机器指令：介于微指令和宏指令之间，通常简称为指令，每一条指令可以完成一个独立的算术运算或逻辑运算操作。 一台计算机中所有机器指令的集合，称为这台计算机的指令系统。指令系统是表征一台计算机性能的重要因素，它的格式与功能不仅直接影响到机器的硬件结构，而且也直接影响到系统软件，影响到机器的适用范围。 计算机指令系统的发展过程 50年代：指令系统只有定点加减、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。 60年代后期开始出现： 系列计算机是指节本指令系统相同、基本体系结构相同的一系列计算机。其必要条件是同一系列的各机种有共同的指令集．而且新推出的机种指令系统一定包含所有旧机种的全部指令，即实现一个“向上兼容”。因此旧机种上运行的各种软件可以不加任何修改便可在新机种上运行，大大减少了软件开发费用。系列机解决了各机种的软件兼容问题。 教材上对“系列计算机”的解释（P127） 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IBM 370系列，VAX-11系列，IBM PC （XT/AT/286/386/486/Pentium）微机系列等。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的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 复杂指令系统计算机（CISC）计算机的指令系统多达几百条。但是如此庞大的指令系统难以保证正确性，不易调试维护，造成硬件资源浪费。为此人们又提出了便于VLSI技术实现的。 精简指令系统计算机（RISC）RISC是一种计算机系统结构的设计思想，至今还没有一个确切的定义，也难以再CISC和RISC之间划出一条明显的界限。具体见教材5.7节（P146） 指令系统的发展（补） 一、指令系统的发展演变 二、RISC的特点 三、同CISC比较，RISC的优点 一、指令系统的发展演变 “复杂指令系统计算机”，简称CISC（Complex Instruction Set Computer） 指令格式不固定，寻址方式丰富，功能复杂 一些比较简单的指令，在程序中仅占指令系统中指令总数的20%，但出现的频率却占80%；占指令总数20%的最复杂的指令，却占用了控制存储器容量的80%，且使用频率却不高。 一、指令系统的发展演变 精简指令系统计算机（Reduced Instruction Set Computer，简称RISC） RISC体系结构的芯片经历了三代： 第一代以32位数据通路为代表，支持Cache,软件支持较少，性能与CISC体系结构的产品相当，如RISC Ⅰ、MIPS、IBM801等。 第二代产品提高了集成度，增加了对多处理机系统的支持，提高了时钟频率，建立了完善的存储管理体系，软件支持系统也逐渐完善。它们已具有单指令流水线，可同时执行多条指令。如MIPS的R3000处理器 第三代RISC产品为64位微处理器，采用了超级流水线技术和超标量技术，提高了指令级的并行处理能力，使RISC处理器的整体性能更好。如MIPS的R4000处理器。 二、RISC的特点 大部分RISC机具有以下特点： （1） 指令系统设计时选择一些使用频率较高的简单指令，且选择一些很有用但不复杂的指令。 （2） 指令长度固定，指令格式种类少，寻址方式种类少。 （3） 只有取数/存数指令访问存储器，其余指令的操作都在寄存器之间进行。 二、RISC的特点 （4） 采用流水线技术。超级标量及超级流水线技术，增加了指令执行的并行度，使得一条指令的平均指令执行时间小于一个机器周期。 （5） C