【5A文】计算机组成原理-指令系统.ppt

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1、1第四章指令系统4.1指令系统的发展与性能要求4.2指令格式4.3操作数类型4.4指令和数据的寻址方式4.5典型指令4.6ARM汇编语言24.1指令系统的发展与性能要求1、指令在计算机系统中的地位（1）是软件和硬件分界面的一个主要标志硬件设计人员采用各种手段实现它；软件设计人员则利用它编制各种各样的系统软件和应用软件（2）是硬件设计人员和软件设计人员之间的分界面，也是他们之间沟通的桥梁。34.1指令系统的发展与性能要求2、指令系统基本概念指令：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，它属于硬

2、件；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：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。4本章所讨论的指令，是机器指令。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54.1指令系统的发展与性能要求3、发展情况复杂指令系统计算机，简称CISC。但是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造成硬件

3、资源浪费。6CISC的主要特征系统指令复杂庞大，各种指令使用频度相差大指令长度不固定、指令格式种类多、寻址方式多访存指令不受限制大多数指令需要多个时钟周期执行完毕采用微程序控制器CPU中设有专用寄存器难以用优化编译生成高效的目的代码74.1指令系统的发展与性能要求精简指令系统计算机：简称RISC，人们又提出了便于VLSI技术实现的精简指令系统计算机。4、为什么会出现CISC到RISC的转变2/8规则控制器设计难度下降8RISC的主要特征选用使用频度较高的一些简单指令，复杂指令的功能由简单指令来组合指令长度固定、指令格式种类少、寻址方式少只有LOAD/STORE指令访存采用流水技

4、术一个时钟周期内完成一条指令采用组合逻辑实现控制器CPU中有多个通用寄存器采用优化的编译程序94.1指令系统的发展与性能要求5、对指令系统的要求完备性：完备性是指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。一台计算机中最基本、必不可少的指令是不多的。许多指令可用最基本的指令编程来实现。例如，乘除运算指令、浮点运算指令可直接用硬件来实现，也可用基本指令编写的程序来实现。采用硬件指令的目的是提高程序执行速度，便于用户编写程序。104.1指令系统的发展与性能要求5、对指令系统的要求有效性：有效性是指利用该指

5、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空间小、执行速度快。一般来说，一个功能更强、更完善的指令系统，必定有更好的有效性。11规整性：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。对称性是指：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；匀齐性是指：一种操作性质的指令可以支持各种数据类型，如算术运算指令可支持字节、字、双字整数的运算，十进制数运算和单、双精度浮点数运算等；指令格式和数据格式的一致性是指：指令长度和数据长度有一定的关系，以方便处理和存取。例如指令长度和数据长度通常是字节长度的整数倍。12

6、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。但由于不同机种推出的时间不同，在结构和性能上有差异，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。134.1指令系统的发展与性能要求6、低级语言与高级语言关系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的要求多少144.2指令格式影响计算机指

7、令格式的因素机器的字长存储器的容量指令的功能指令能反映以下信息做什么操作如果需要操作数，从哪里取结果送哪里下一条指令从哪里取所以指令格式包括两个方面：操作码字段地址码字段OPA154.2指令格式4.2.1、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。指令的操作码OP表示该指令应进行什么性质的操作，如进行加法、减法、乘法、除法、取数、存数等等。不同的指令用操作码字段的不同编码来表示，每一种编码代表一种指令。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。较大的指令系统就需