计算机系统组成电子教案（第4章）ppt课件.ppt

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1、东南大学计算机学院主讲教师：徐造林计算机系统组成第4章指令系统●计算机指令指令：就是要计算机执行某种操作的命令；有微指令、机器指令和宏指令之分。●计算机能执行的机器指令全体称为该机的指令系统指令系统是软件编程的出发点和硬件设计的依据，它衡量机器硬件的功能，反映硬件对软件支持的程度。4.1指令系统概述4.1.1指令系统简介指令系统主要是为计算机应用、编译程序和操作系统提供支持。指令系统中指令的设计，需要从性能提高和带来的成本增加两个方面考虑。1.指令系统组成◆两种类型的指令（1）非特权指令：这类指令主要供用户使

2、用，又可分为功能性指令和非功能性指令两种。（2）特权指令：主要供系统程序员使用，一般不允许用户使用。其中包括I/O指令、停机等待指令、存储管理及保护指令、控制系统状态指令、诊断指令等。2.对指令系统性能的要求完备性：指令系统应功能齐全，给用户带来方便。规整性：指令系统的正交性、均匀性、对称性。兼容性：不同机种之间具有相同的基本结构和共同的基本指令集，目的是给软件资源的重复利用带来方便。可扩充性：指令系统中要保留一定的指令字空间，以便在需要时进行指令系统的功能扩充。4.1.2指令的格式◆指令一般的格式如下：2.

3、地址码地址码指出指令中操作数所在的存储器地址或寄存器地址。1.操作码操作码指出指令应该执行什么性质的操作和具有何种功能；n位操作码字段的指令系统最多能够表示2n条指令。操作码OP地址码A◆按指令包含的地址的个数可分：1、三地址指令执行（A1）OP（A2）→A3OPA1A2A3执行（A1）OP（A2）→A22、二地址指令OPA1A2有两种可能：一是无需任何操作数，如空操作指令、停机指令等。二是所需的操作数地址是默认的。4、零地址指令OP3．单地址指令执行（A1）OP（AC）→ACOPA1◆指令字长度1.指令长度应

4、为存储器基本字长的整数倍2.指令字长应尽量短指令短，可减少所需存储量和加快运行速度，但不能为了使指令短而影响指令系统的完备性和规整性。计算机中CPU能直接处理的二进制的位数称为机器字长；指令字长度：一个指令字包含的所有二进制代码的位数。有等长指令字结构和变长指令字结构。◆指令字长度选取原则◆指令助记符指令类型指令助记符二进制操作码加法ADD001减法SUB010传送MOV011跳转JMP100存储ST101读数LD110表4.1常用指令助记符4.1.3指令系统设计概论任务是确定所有机器指令的格式、类型、操作以

5、及对操作数的访问方式。出发点是提高指令系统的性能/价格比。1.指令系统设计的基本思路基本设计思想：（1）确定计算机系统中的基本操作（包括操作系统和高级语言的）是由硬件实现还是由软件实现；（2）按照尽量缩短平均码长、方便译码与执行的原则，设计指令字格式。◆功能设计和指令格式设计基本功能设计：确定指令系统包含哪些基本操作；优化功能设计：从对目标程序、操作系统、高级语言的支持角度，确定哪些常用的、相对复杂的操作（指令串）可作为指令系统包含的操作（指令）；指令格式设计：设计出平均码长较短、便于译码和执行的指令字；规

6、整和优化设计：形成长度规整的、信息冗余较小的指令字。指令所占存储空间是否尽可能小；表现在指令中代码密度是否高、信息冗余量是否少；2.衡量指令系统性能的指标指令代码对应用需求的效率是否高，表现在非特权指令中功能性指令所占比例是否高、指令中操作数的访问范围满足应用需求的概率是否大、对操作系统和编译程序的支持程度是否高；指令的译码速度、执行速度是否快。4.2操作数类型及存储方式4.2.1操作数类型数值型数据；字符；地址；逻辑数据。◆操作数类型在指令中的表示指令中增加一些二进制位标识；可选择存储时标识或处理时标识。

7、◆操作数的4种类型标识方法OPDF1A1DF2A2(a)每个操作数标识OPDFA1A2(b)所有操作数共一个标识图4.1二地址指令数据类型表示方法通常将操作码与数据类型标识合并成新的操作码。4.2.2操作数存储方式操作数可以存储在指令、寄存器、堆栈和存储器中；数据存储方式有大端（Big-Endian）和小端（Little-Endian）两种。图4.2数据在存储器中的两种存放方式数据存储采用小端存储方式的处理机有Intel80x86/Pentium，DECVAX，DECAlpha等。4.2.3数据对齐方式操

8、作数应存储在存储器空间阵列的同一行；信息按整数边界存储原则：数据长度为2n个字节，则该数据在存储器中最小存储地址的最低n位应为0。图4.3数据的边界对齐4.2.4堆栈存取方式◆堆栈是一种按特定顺序访问的存储区；其特点是后进先出(LIFO)或先进后出(FILO)。◆堆栈存取方式堆栈最底部存放数据的位置是固定不变的，该位置称为栈底；堆栈中存放