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计算机组成原理讲义第3章 指令、指令系统和控制器部件 本章主要教学内容 教学内容： ⑴计算机的指令和指令系统(指令的功能、指令的格式及寻址方式)。 ⑵计算机控制器的功能、组成和设计与实现。 教学安排（围绕以下内容来进行）： ⑴计算机指令的执行过程（步骤）（从空间和时间两方面考虑）。 ⑵控制器的设计原理。 指令与指令系统： ⑴指令是用户使用计算机与计算机本身运行的最小功能单位。 ⑵内容：指令的功能安排、指令的格式以及指令的寻址方式的选择。 控制器部件： ⑴功能：向整机的每个部件提供协同运行所需的控制信号。 ⑵组成：程序计数器（PC）、指令寄存器（IR）、指令执行的步骤标记线路、全部时序控制信号产生部件。 第3章 指令、指令系统和控制器部件 3.1 指令和指令系统概述 3.2 寻址方式 3.3 指令系统举例 3.4 控制器的功能和组成与指令执行步骤 3.5 组合逻辑的控制器部件 3.6 8位教学计算机的微程序控制器部件 3.7 16位教学计算机的微程序的控制器部件 3.1 指令和指令系统概述 计算机系统的组成：硬件和软件。 计算机指令代码： ⑴计算机指令代码组成计算机能直接识别和运行的软件程序。 ⑵计算机指令代码是使用计算机与计算机本身运行的最小功能单位。 计算机指令系统： ⑴一台计算机支持（或称使用）的全部指令构成其指令系统。 ⑵简单指令系统计算机（SISC）—复杂指令系统计 算机（CISC）—简化指令系统计算机（RISC）。 设计指令系统的核心问题：选定指令的格式和功能。 接下页 3.1 指令和指令系统概述（续） 指令系统的评价： ⑴完备性，常用指令齐全，编程方便； ⑵高效性，程序占用内存空间少，运行速度快； ⑶规整性，指令和数据规则统一简单，易学易用； ⑷兼容性，低档机程序能在高档机上直接运行。 指令的格式与功能： ⑴操作码用于指明本条指令的操作功能； ⑵操作数地址用于给出被操作的信息的地址。 3.1 指令和指令系统概述（续） ⒈操作码的组织与编码（方案） ⑴定长的操作码的组织方案：在指令字的最高部分分配固定的若干位（定长）表示操作码。 ⑵变长的操作码的组织方案：操作码位数根据指令特点分配，并安排在指令字的最高位部分，但与地址字段不交叉。 ⑶操作码字段与操作数地址字段有交叉方案：与⑵类似，操作码长度不固定，但操作码字段不再集中在指令字的最高位部分，且与地址的一些字段有所交叉。 3.1 指令和指令系统概述（续） ⒉有关操作数地址的设计、安排 不同的指令使用不同数目、不同来源和不同用法的操作数，应将其安排在指令字的适当位置，如： ⑴无操作数指令：不涉及操作数或使用约定操作数。 ⑵单操作数指令：只涉及一个操作数或约定操作数。 ⑶双操作数指令：涉及两个操作数，算逻运算指令。 ⑷多操作数指令：涉及多个操作数（大中计算机）。 在同一台计算机中并不要求所有指令都使用同一长度，可以组合，也可以拆分。 3.1 指令和指令系统概述（续） ⒊指令的分类：按指令所完成的功能进行分类。如： ⑴算逻运算指令：给出运算结果及有关特征。 ⑵移位操作指令：算术、逻辑和循环移位。 ⑶数据传送指令：寄存器、内存、外设接口传数据。 ⑷转移指令和子程序调用与返回指令：改变执行次序。 ①转移指令：有条件转移与无条件转移。 ②子程序调用与返回指令：转移后能返回。 ③子程序：自编和系统提供（访管指令与陷阱指令）。 ⑸特权指令：仅用于操作系统或其它系统软件的指令。 ⑹其它指令：用于完成某些特定处理功能的指令。 3.1 指令和指令系统概述（续） ⒋有关操作数的来源、去处 ⑴CPU内部的通用寄存器： 给出用到的寄存器编号（寄存器名），其内容可能是数据，也可能是操作数的地址。 ⑵外设（接口）中的寄存器： 设备编号或设备入出端口地址、或设备映像地址（与内存统一编址的设备地址编号）。 ⑶内存存储单元： 由寻址方式解决（见3.2）。 3.2 寻址方式 寻址方式： 解决如何在指令中表示一个操作数的地址及如何用这种表示得到操作数或操作数的地址。 形式地址： 表示在指令中的操作数地址称为形式地址。 物理地址： 用形式地址结合某些规则计算出的操作数在存储器中的存储单元地址称为物理地址。 常用寻址方式如下： 3.2 寻址方式（续） ⑴立即数寻址：操作数直接给出在指令中。 ⑵直接寻址：直接给出操作数在存储器中的地址。 ⑶寄存器寻址、寄存器间接寻址：利用寄存器寻址。 ①寄存器直接寻址：寄存器存放操作数地址。 ②寄存器间接寻址：寄存器存放操作数地址的地址。 ⑷变址寻址：指令中给出的数值（偏移量，补码）与指定寄存器的内容相加之和作为操作数的地址。 ⑸相对寻址：指令中给出的数值