计算机组成原理与系统结构 第4章 指令系统

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1、第四章指令系统4.1指令和指令系统概述4.2寻址方式4.3指令格式的设计及优化4.4指令类型4.5RSIC和CISC4.1指令和指令系统概述计算机系统包括硬件和软件两大组成部分。硬件是指构成计算机的中央处理器、主存储器以及输入/输出设备等实际装置；软件则指由软件厂家为方便用户使用计算机而提供的系统软件以及用户用于完成自己的特定事务和信息处理任务而设计的用户程序软件。而计算机能直接识别和运行的软件程序通常由该计算机的指令代码组成。因此，无论是功能多么强大、结构多么复杂的软件，凡是能够在机器上直接运行的目标

2、程序都是由指令组成的。从用户和计算机本身两个角度看，计算机的指令都是用户使用计算机与计算机本身运行的最小功能单位。一台计算机所有的指令就构成了该计算机的指令系统，也称为指令集。指令系统是表征一台计算机性能的重要因素，是设计一台计算机的起点和基本依据，它的格式与功能直接与计算机系统的运行性能、硬件结构的复杂程度等密切相关，也直接影响到系统软件。计算机的程序是由一系列的指令组成的，指令就是要计算机执行某种操作的命令。4.1指令和指令系统概述计算机的指令微指令机器指令宏指令微指令：微程序级的命令，它属于硬件。

3、宏指令：由若干条机器指令组成的软件指令，它属于软件。机器指令（指令）：介于微指令与宏指令之间，每条指令可完成一个独立的算术运算或逻辑运算。指令系统：一台计算机中所有机器指令的集合，它是表征一台计算机性能的重要因素，其格式与功能不仅直接影响到机器的硬件结构，也直接影响到系统软件，影响到机器的适用范围。4.1.1指令系统的发展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。4.1.1指令系统的发展计算机指令系统的发展过程:60年代后期：增加了乘除运算、浮

4、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(指基本指令系统相同、基本体系结构相同的一系列计算机)。4.1.1指令系统的发展计算机指令系统的发展过程:70年代末期: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(CISC)。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）。4.1.1指令系统的发展特点：（1）完备性:指常用指令

5、是否齐全，编程是否方便。（2）高效性:要求程序占内存空间少，运行速度快（3）规整性:指令格式和数据格式应统一、简单，方便处理和存取；（4）兼容性:指同一系列的低档计算机的程序能在新的高档机上直接运行。核心:选定指令的功能和格式。指令格式:用二进制代码表示的结构形式。与计算机的字长、存储器容量、指令的功能等有关。指令一般由两部分组成：操作码和地址码。操作码用于指明本条指令的操作功能，如进行加法运算、减法运算、乘法运算、除法运算、逻辑运算等------确定的、唯一的。地址码用来给出本条指令执行所需要的操作数

6、的地址以及运算结果的存储地址等信息。（1）无操作数指令（零地址指令）无操作数指令只有操作码部分，而无地址码部分。（2）单操作数指令（一地址指令）有的指令只用一个操作数，必须在指令中指明其地址，如一个寄存器内容增1或减1运算的指令；或需要两个操作数地址，但其中一个是使用约定的某个操作数地址，既已约定则无需再在指令中加以表示，如使用累加寄存器。（3）双操作数指令（二地址指令）指令中有两个地址码字段，分别指出两个操作数在内存或运算器中的地址。其中目的操作数地址还用于保存指令的执行结果。（4）三操作数指令（三地

7、址指令）指令中有三个地址码字段，分别指出两个操作数以及运算结果在内存或运算器中的地址。其中两个地址码分别给出目的操作数和源操作数的地址，第三个地址码用于指出保存本次运算结果的去处。（5）多操作数指令（多地址指令）在一些高性能的大、中型计算机、甚至PC机中，会有一些功能强大的指令，这些指令中有多个地址码，用于完成对一批数据的处理过程，如字符串处理指令，向量、矩阵运算指令等。一条指令必须包含以下信息：(1)操作码。用来指出指令执行何操作，算术加法、算术减法或其它等操作，尽管一台计算机的指令系统中可有几百条指

8、令，但每条指令的操作码是唯一的。(2)操作数的地址。用来指出操作数的来源，根据此地址就可以得到指令执行时所需要的操作数。(3)操作结果的存储地址。用来指出操作结果的去向。(4)下一条指令的地址。仅当改变程序的执行顺序时，下一条指令的地址才由指令给出。4.2寻址方式寻址技术:指确定本条指令执行所需要的数据地址以及运算结果存储地址的方式。研究的主要内容:包括编址方式、寻址方式和定位方式等。研究的主要对象:寄存器、主存储器、堆栈和输入输出设备等，