计算机组成原理第二版课件 组成原理第三章

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1、计算机组成原理宋红sxyqsh@163.com第三章指令系统3-1指令系统的发展与要求3-2指令格式3-3寻址方式3-4指令类型3．1指令系统的发展与要求计算机的指令有微指令、机器指令和宏指令之分。微指令是微程序级的命令，它属于硬件；宏指令是由若干条机器指令组成的软件指令，它属于软件；而机器指令则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。一台计算机支持(或称使用)的全部指令构成该机的指令系统。指令系统直接与计算机系统的性能和硬件结构的复杂程度等密切相关，它是

2、设计一台计算机的起始点和基本依据。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。早期的计算机，从简化计算机硬件结构和降低成本考虑，指令系统都比较简单，所支持的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。条数少和运算功能弱，能处理的数据只是定点小数，使用非常困难。到了20世纪70～80年代，随着集成电路和超大规模集成电路的出现与发展，计算机硬件成本直线下降；相应的软件成本所占比例迅速增加，计算机的指令

3、系统日渐变得更加复杂和完备，指令条数多达三五百条，寻址方式也趋于多样化，能直接处理的数据类型更多，构成了复杂指令系统计算机(CISC)。要确定一台计算机的指令系统并评价其优劣，通常应从如下四个方面考虑：指令系统的完备性，常用指令齐全，编程方便；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。一般来说，一个功能更强、更完善的指令系统，必定有更好的

4、有效性。指令系统的规整性，指令和数据使用规则统一简单，易学易记；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。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

5、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。同时要完全满足上述标准是困难的，但它可以指导设计出更加合理的指令系统。通常情况下，一条指令要由两部分组成：第一部分：是指令的操作码。操作码用于指明本条指令的操作功能。例如，是算术加运算、减运算还是逻辑与、或运算功能，是否读、写内存或读、写外设操作功能，是否程序转移和子程序调用或返回操作功能等，计算机需要为每条指令分配一个确定的

6、操作码。第二部分：是指令的操作数地址，用于给出被操作的信息(指令或数据)的地址，包括参加运算的一或多个操作数所在的地址，运算结果的保存地址，程序的转移地址、被调用的子程序的入口地址等。在一条指令中，如何分配这两部分所占的位数(长度)，如何安排操作数的个数，如何表示和使用一个操作数的地址(寻址方式)，是要认真对待、精心设计的重要问题。机器指令是用机器字来表示的。表示一条指令的机器字，就称为指令字，通常简称指令。指令格式，则是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

7、令的操作特性与功能，而地址码字段通常指定参与操作的操作数的地址。因此，一条指令的结构可用如下形式来表示：3．2指令格式操作码地址码（操作数）3．2．1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。例如，操作码001可以规定为加法操作；操作码010可以规定为减法操作；而操作码110可以规定为取数操作等等。CPU中的专门电路用来解释每个操作码

8、，因此机器就能执行操作码所表示的操作。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。较大的指令系统就需要更多的位数来表示每条特定的指令。例如，一个指令系统只有8条指令，则有3位操作码就够了(2３＝8)。如果有32条指令，那么就需要5位操作码(2５＝32)。一般来说，一个包含n位的操作码最多能够表示2Ｎ条指令。对于一个机器的指令系统，在指令字中操作码字段和地址字码段长度通常是固定的。在单片机中，由于指令字较短，为了充分利用