《指令集结构》PPT课件

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1、第2章指令集结构7/26/20211张功萱修订本章学习内容指令结构的分类寻址方式设计指令格式的优化实现RISC设计的技术手段7/26/20212在机器上直接运行的程序是由指令组成的。指令系统是软件与硬件之间的一个主要分界面，也是他们之间互相沟通的一座桥梁。硬件设计人员采用各种手段实现指令系统，而软件设计人员则使用这些指令系统编制系统软件和应用软件，用这些软件来填补指令系统与人们习惯的使用方式之间的语义差距。指令系统设计必须由软件设计人员和硬件设计人员共同来完成。指令系统发展相当缓慢，需要用软件来填补的东西也就越来越多。7/26/20213有三种类型的指令系统

2、：CISC：复杂指令系统RISC：精简指令系统VLIW：超长指令字(严格讲,属于并行处理技术)指令系统设计包括：指令的格式设计指令系统的功能设计指令系统的性能评价7/26/202142.0指令系统设计的基本概念2.0.1指令系统的设计内容指令系统：机器所具有的全部指令的集合。指令系统设计的内容：确定指令的格式、类型、功能及操作、操作数的类型及大小、操作数的访问（寻址）方式。7/26/20215确定计算机系统中的一些基本操作(包括操作系统和高级语言中的操作)，应由硬件实现还是由软件实现；某些复杂操作是由一条专用的指令实现，还是由一串基本指令实现。指令系统设计的

3、基本思想7/26/202162.0.2指令系统的设计要求1.完备性（完整性）:是指应该具备的基本指令种类2.有效性:指令的执行速度要快,指令的使用频度要高3.兼容性:在同一系列机内，指令系统，包括寻址方式和数据表示等保持基本不变；可以适当增加指令、增加寻址方式，增加数据表示等；但不能减少任何已有的……。7/26/202174.规整性:对相似的操作数做出相同的规定.5.对称性:所有的寄存器同等对待,操作码的设置等都要对称6.可扩充性7.正交性:互不相干原则8.利于编译，适应高级语言的发展。7/26/202182.0.3指令系统的设计步骤1.根据未来用途和应用范

4、围，设计一个初步指令系统；2.用本指令系统编制编译程序；3.模拟测试，研究操作码和寻址方式的效能；4.根据结果，将使用频率高的指令串组合成一条指令；5.重复1~4步骤，直到证明指令系统有高的效能。7/26/202191.指令系统分类的准则⑴在CPU中操作数的存放方法。⑵在每条指令中，显式指明的操作数个数。⑶操作数的寻址方式。⑷指令系统所提供的操作类型。⑸操作数的类型与大小。2.1指令系统结构的分类7/26/2021102.指令系统结构的分类按在CPU中操作数的存放方法可分为：⑴堆栈型⑵累加器型⑶通用寄存器型7/26/202111对于一条有两个源操作数和一个目

5、的操作数的指令，指令中显式表示的操作数的个数随CPU存取操作数方式的不同而不同。7/26/202112三种不同的指令系统集结构取/存寄存器或存储器寄存器或存储器2/3IBM360/370DECVAX-11RISC机寄存器集取/存累加器累加器1PDP-8MC6800累加器进栈或退栈堆栈0B5500/6500HP3000Transputer堆栈访问显式操作数的过程结果存放目的地每条ALU指令需指明的显式操作数机器型号CPU中存储部件形式7/26/202113设A、B、C均保存在存储器单元中，且在运算过程中不破坏A、B的值，则在三种不同类型的指令系统中实现C＝A＋

6、B的指令序列为：堆栈型累加器型寄存器－存储器型(R－M)寄存器－寄存器型(R－R)PUSHALOADALOADR1,ALOADR1,APUSHBADDBADDR1,BLOADR2,BADDSTORECSTOREC,R1ADDR3,R1,R2POPCSTOREC,R37/26/202114⑴寄存器－寄存器型(R－R)⑵寄存器－存储器型(R－M)或(R－S)⑶存储器－存储器型(M－M)3.通用寄存器型指令系统结构的分类7/26/202115ALU指令中操作数的个数和操作数个数的的所有可能组合及相应的机器实例。7/26/2021167/26/2021172.2操作

7、数访问方式操作数访问方式即操作数的寻址方式。按访问操作数的手段，寻址方式可分为：①按地址访问方式事先计算出需访问的操作数的地址。工作方式是串行顺序的。②按内容访问方式将给定的访问内容将与存储单元中的内容进行比较。工作方式是并行的。7/26/2021182.2.1按地址访问方式1.能被指令访问的存放操作数的部件通用寄存器、存储器单元、堆栈以及控制寄存器、设备寄存器等专用寄存器。2.计算机中的两种地址概念⑴逻辑地址程序员在编制程序时所使用的地址(逻辑空间)。⑵物理地址程序在主存内的实际物理地址。7/26/202119逻辑地址与物理地址的关系⑴逻辑空间与物理空间一

8、样大⑵逻辑空间小，物理空间大⑶逻辑空间大，物理空间小