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计算机组成原理 —— 指令系统 浙江工业大学 计算机学院 本章的学习目标 理解指令的基本格式 理解编址单位和指令中地址码的位数与主存容量、最小寻址单位的关系 掌握常用寻址方式和有效地址的计算方法 理解堆栈的概念及进栈、出栈操作 了解基本的指令类型 指令系统的发展 计算机的程序是由一系列机器指令组成的。 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与宏指令之间，通常简称为指令，每一条指令可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。 指令系统的发展 20世纪50年代，指令系统只有十几至几十条指令，可进行定点加减、逻辑运算、数据传送、转移等操作。 60年代后期，指令数目多达一二百条，寻址方式也日趋多样化，增加乘除运算、浮点运算、十进制运算等 20世纪70年代末期，计算机硬件结构随着VLSI技术的飞速发展，大多数计算机的指令系统多达几百条。我们称这些计算机为复杂指令系统计算机，简称CISC。 如此庞大的指令系统不但使计算机的研制周期变长，难以保证正确性，不易调试维护，而且由于采用了大量使用频率很低的复杂指令而使硬件资源浪费。为此又提出了便于VLSI技术实现的精简指令系统计算机，简称RISC。 指令系统的性能要求 完备性：指令系统应提供足够使用的指令。 有效性：利用指令系统所编写的程序能高效运行。 规整性：包括对称性、匀齐性和一致性。 兼容性：系统机之间具有共同的基本指令集，指令系统能互相兼容，通常是“向上兼容”。 指令格式（1） 机器指令的基本格式 指令中的基本信息 操作码 地址码 操作数或操作数地址 存放运算结果的地址 后继指令地址 指令格式（2-1） 地址码结构 四地址指令 指令格式： 指令功能：（A1）OP（A2）— A3 A4 = 下条指令地址 三地址指令 指令格式： 指令功能：（A1）OP（A2）— A3 （PC）+ 1 — PC 二地址指令 指令格式： 指令功能：（A1）OP（A2）— A1 (PC) + 1 — PC 指令格式（2-2） 二地址指令 存储器-存储器(SS)型指令 参与操作的两个数都在内存中 思考：完成一次操作需要访问几次内存? 寄存器-寄存器(RR)型指令 参与操作的两个数都在通用寄存器中 除取指令外不需要访问内存 寄存器-存储器(RS)型指令 参与操作的一个数在通用寄存器中，另一个操作数在内存中 指令格式（2-3） 地址码结构 一地址指令 指令格式： 指令功能： 只有目的操作数的单操作数指令 OP（A）— A；（PC）+ 1 — PC 隐含约定目的地的双操作数指令 （AC）OP（A）— AC； （PC）+ 1 — PC 指令格式（2-4） 地址码结构 零地址指令 指令格式： 不需要操作数的指令 所需操作数是隐含指定的 对累加器AC内容进行操作 对堆栈内容进行操作 指令格式（3-1） 操作码结构 固定长度操作码 操作码字段的位数和位置是固定的。 可变长度操作码 操作码字段的位数不固定 单功能型或复合型操作码 指令格式（3-2） 扩展操作码 例：设某机的指令长度为16位，操作码字段为4位，有3个4位的地址码字段。指令系统要求有15条三地址指令，15条二地址指令，15条一地址指令和16条零地址指令，共61条指令。如何扩展？ 指令格式（3-3） 扩展操作码时应注意： 短码不能与长码开始部分的代码相同，否则将无法保证解码的惟一性和实时性 各条指令的操作码不能重复雷同，且各类指令的格式安排应统一规整 操作码的扩展方案不是唯一的，根据计算机的指令系统的要求可以采用不同的扩展方案，如上例也可以扩展形成14条三地址指令，31条二地址指令、14条一地址指令，32条零地址指令。（考虑如何实现） 指令格式（3-4） 指令助记符 为了便于书写和阅读，通常用3-4个英文缩写字母来表示指令操作码，这种缩写码称为指令助记符。 不同的计算机中，指令助记符的规定是不一样的。 通过汇编程序将指令助记符转换成相应的二进制操作码。 指令格式（4-1） 指令长度：一个指令字中包含二进制代码的位数 变字长指令：指令长度可变 指令功能丰富，指令复杂，执行时间长 固定字长指令 指令字长固定，执行时间短 RISC精简指令系统 指令格式（4-2） 指令长度与机器字长的关系 单字长指令：指令长度等于机器字长的指令 半字长指令：指令长度等于半个机器字长的指令 双字长指令：指令长度等于两个机器字长的指