计算机组成与系统结构

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1、计算机组成与系统结构上海交通大学网络教育学院陈泽宇博士、副教授前言第1章计算机系统概论第2章运算方法和运算器第3章存储系统第4章指令系统第5章中央处理器第6章总线系统×第7章外围设备第8章输入输出系统第9章并行组织2第4章指令系统4.1指令系统的发展与性能要求4.2指令格式4.3指令和数据的寻址方式4.4堆栈寻址方式4.5典型指令34.1指令系统的发展与性能要求4.1.1指令系统的发展4.1.2对指令系统性能的要求4.1.3低级语言与硬件结构的关系44.1.1指令系统的发展计算机的程序是由一系列的

2、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：微程序级的命令，属于硬件；宏指令：由若干条机器指令组成的软件指令，属于软件；机器指令（通常简称为指令）：介于微指令与宏指令之间，每一条指令可完成一个独立的算术运算或逻辑运算操作5指令系统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系列计算机基本指令系统相同、基本体系结构相同的一系列计算机系列机解决了各机种的软件兼容问题，其必要条件是同一系列的各机种有共同的指令集，而

3、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复杂指令系统计算机(CISC)与精简指令系统计算机（RISC）64.1.2对指令系统性能的要求指令系统的性能决定了计算机的基本功能，因而指令系统的设计是计算机系统设计中的一个核心问题一个完善的指令系统应满足如下四方面的要求：完备性有效性规整性兼容性7完备性用汇编语言编写各种程序时，指令系统直接提供的指令足够使用，而不必用软件来实现完备性要求指令系统丰富、功能齐全、使用方便8有效性利用该指令系统所编写的程序能够高效率地运行高效率主要表现在程序占据存储

4、空间小、执行速度快9规整性包括指令系统的对称性、匀齐性、指令格式和数据格式的一致性对称性在指令系统中所有的寄存器和存储器单元都可同等对待，所有的指令都可使用各种寻址方式匀齐性一种操作性质的指令可以支持各种数据类型指令格式和数据格式的一致性指令长度和数据长度有一定的关系，以方便处理和存取10兼容性系列机各机种之间具有相同的基本结构和共同的基本指令集，因而指令系统是兼容的，即各机种上基本软件可以通用做到所有软件都完全兼容是不可能的，只能做到“向上兼容”，即低档机上运行的软件可以在高档机上运行114.1

5、.3低级语言与硬件结构的关系计算机的程序，就是人们把需要用计算机解决的问题变换成计算机能够识别的一串指令或语句编写程序的过程，称为程序设计，而程序设计所使用的工具则是计算机语言12计算机语言具有高级语言和低级语言之分高级语言：其语句和用法与具体机器的指令系统无关低级语言分机器语言（二进制语言）和汇编语言（符号语言）是面向机器的语言，和具体机器的指令系统密切相关机器语言用指令代码编写程序，而符号语言用指令助记符来编写程序13高级语言与低级语言的性能比较P132表4.1表4.1高级语言与低级语言的性能

6、比较比较内容高级语言低级语言1对程序员的训练要求：(1)通用算法(2)语言规则(3)硬件知识有较少不要有较多要2对机器独立的程度独立不独立3编制程序的难易程度易难4编制程序所需时间短较长5程序执行时间较长短6编译过程中对计算机资源（时间和存储容量）的要求多少14计算机能够直接识别和执行的唯一语言是二进制语言必须借助汇编程序或编译程序，把符号语言或高级语言翻译成二进制码组成的机器语言汇编语言依赖于计算机的硬件结构和指令系统高级语言与计算机的硬件结构及指令系统无关但是高级语言程序“看不见”机器的硬件结

7、构，因而不能用它来编写直接访问机器硬件资源的系统软件或设备控制软件154.2指令格式4.2.1操作码4.2.2地址码4.2.3指令字长度4.2.4指令助记符×4.2.5指令格式举例16指令字机器指令是用机器字来表示的表示一条指令的机器字称为指令字（简称指令）指令格式指令字用二进制代码表示的结构形式，通常由操作码字段和地址码字段组成操作码字段表征指令的操作特性与功能地址码字段通常指定参与操作的操作数的地址操作码字段地址码字段174.2.1操作码设计计算机时，对指令系统的每一条指令都要规定一个操作码指

8、令的操作码表示该指令应进行什么性质的操作组成操作码字段的位数一般取决于计算机指令系统的规模对于一个机器的指令系统，在指令字中操作码字段和地址码字段长度通常是固定的184.2.2地址码根据一条指令中有几个操作数地址，可将该指令称为几操作数指令或几地址指令一般的操作数有被操作数、操作数及操作结果这三种数，因而就形成了三地址指令格式在三地址指令格式的基础上，后来又发展成二地址格式、一地址格式和零地址格式19各种不同操作数的指令格式零地址指令只有操作码，没有地址码如停机指令三地址指令操作码