计算机组成原理课件 第四章 指令系统.pdf

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1、计算机组成原理PiilfCPrincipleofComputtOerOrganiitization第第章四章指令系统InstructionSet北京邮电大学戴志涛计算机学院计算机学院2009-4-131本章内容¾指令系统的概念及其发展¾对指令系统的性能要求¾指令格式¾寻址方式¾指令类型和典型指令介绍¾RISC计算机学院2009-4-132指令系统的概念¾程序是由一系列有序且有一定意义的指令组成的¾指令（机器指令）：命令计算机直接进行某种基本操作的二进制代码串ß每条指令可以完成一个独立的算术运算或逻辑运算操作，或者数据传送等基本操作ß直接由硬件支持、软件可控制的最小的动作单位¾

2、程序员按照指令格式编写软件而不必考虑机器如何实现指令的功能¾指令是软件和硬件之间的接口¾指令系统（InstructionSet）：一台计算机能直接理解与执行的全部指令的集合计算机学院2009-4-133指令概念的引申¾机器指令（指令）：每条指令完成一个独立的算术运算或逻辑运算¾微指令：微程序级的命令，软件不可见¾宏指令：由若干条机器指令组成的机器指令序列，硬件不可见计算机学院2009-4-134计算机指令系统的发展过程¾50年代：ß最基本的指令：定点加减、逻辑算辑运算、数据传送、转移等ß指令数目十几至几十条¾60年代后期：ß增加乘除运算、浮点运算、十进制运算、字符串处理等指令

3、ß指令数目多达一二百条ß寻址方式多样化ß出现系列计算机计算机学院2009-4-135计算机指令系统的发展过程¾70年代末期：ß指令系统多达几百条*复杂指令系统计算机（CISC）*ComplexInstructionSetComputerß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*精简指令系统计算机（RISC）出现*ReducedInstructionSetComputer计算机学院2009-4-136对指令系统的要求¾完备性：指令齐全、编程方便¾高效性：时空效率高¾规整性：指令与运算规则统一ß对称性：所有的寄存器和存储器单元都可等同对待，所有的指令都可使用

4、各种寻址方式ß匀齐性：一种操作性质的指令可以支持各种数据类型ß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¾兼容性：新旧机器指令向上兼容计算机学院2009-4-137低级语言与硬件结构的关系¾高级语言（算法语言）：语法与具体机器的指令系统基本无关¾低级语言：面向机器，和具体机器的指令系统密切相关ß机器语言（二进制语言）ß汇编语言（符号语言）计算机学院2009-4-138高级语言与低级语言的性能比较比较内容高级语言低级语言对程序员的训练要求(1)通用算法有有(2)语言规则较少较多(3)对硬件的了解相对较少相对较多对机器独立的程度独立不独立编制程序

5、的难易程度易难软件编程和维护所需时间短较长程序执行时间较长短编译过程中对计算机资源的要求多少计算机学院2009-4-139指令格式¾指令字（指令）：表示一条指令的机器字¾指令格式：指令字用二进制代码表示的结构形式¾机器执行一条指令所必须的全部信息都必须明显或隐含地在指令中给出：操作码ß操作类型ß参加运算的若干个源操作数的地址（内地址码存单元或寄存器）地址码ß目的操作数（运算结果）存放的地址（内存单元或寄存器）地址码ß下一条指令的存放地址（内存单元）操作码地址码计算机学院2009-4-1311操作码¾每一条指令都有一个操作码，表示该指令应进行什性什么性质的操作作¾不同的指令用操

6、作码字段的不同编码表示¾操作码字段的位数一般取决于计算机指令系统的规模¾一个特定的机器的指令系统，不同指令字中操作码字段和地址码字段的长度可以相同，也可以不同计算机学院2009-4-1312操作码¾等长操作码（固定长度操作码）：ß操作码所占的二进制位数固定不变ß如果系统中所有指令的操作码都用n位二进制数表示，则系统中的指令条数不会超过2n条ß有利于简化硬件设计，减少指令译码时间ß广泛用于字长较长的计算机的指令系统中计算机学院2009-4-1313操作码¾可变长度操作码：ß不同的指令的操作码长度不同ß操作码扩展技术*对地址少的指令使用较长的操作码，对地址数多的指令使用较短的操作

7、码*使用频度高的指令分配短的操作码，频度低的指令分配较长的操作码计算机学院2009-4-1314操作码¾可变长度操作码：ß优点：*有效缩短操作码的平均长度，节省存储空间*缩短常用指令的译码时间，提高程序的运行速度ß缺点：*指令译码系统比等长操作码复杂ß在字长较短的微型机中应用广泛¾操作码的长度应与地址码的长度以及整个指令长度综合考虑计算机学院2009-4-1315地址码¾指令中的地址码用来指出该指令的源操作数地址（0至2个）、目标操作数（结果）地址，以及下一条指令的地址¾操作数的存放位置：ß主存单元ßC