计算机组成原理第4章-指令系统课件.ppt

1、本章解决计算机硬件与可编程软件之间的衔接方法中的计算机指令编码问题。是计算机系统设计中的核心问题之一。4.1.1指令系统概念4.1指令系统概述指令系统概述指令是指计算机能够识别并执行的某种操作的命令一台计算机所有指令的集合称为该计算机的指令系统，也称指令集基本指令系统相同、基本结构相同的一系列计算机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，指令字通常占用若干二进制位4.1.2指令系统的设置要求4.1指令系统概述指令系统概述指令操作的对称性和匀齐性，指令格式与数据格式的一致性兼容性一般是指计算机的体系结构设计基本相同，机器之间具有相同的基本结构、数据表示和共同的基本指令集合一

2、台计算机中最基本的、必不可少的指令构成了指令系统的完备性指利用该指令系统所提供的指令编制的程序能够产生高效率。高效率主要表现在空间和时间方面，即占用存储空间小、执行速度快4.1.3指令的含义4.1指令系统概述指令系统概述指定计算机将要完成的具体操作指定计算机将要完成的具体操作操作可能涉及多个操作数，源操作可能涉及多个操作数，源操作数是操作所需要的输入数据操作数是操作所需要的输入数据操作所产生的结果数据操作所产生的结果数据它的作用是告诉它的作用是告诉CPUCPU当前指令运当前指令运行完以后到哪里去取下一条指令行完以后到哪里去取下一条指令o计算机的指令格式与计算机的字长、存 储器容量及指令功能密切

3、相关。o为提高指令功能，增加基本操作并行性，指令中所包含的信息以多为宜；o指令太长又会增加存储空间的开销，并对机器指令执行速度产生影响。因此，如何合理、科学地设计指令格式对整个计算机设计是至关重要的。4.2指令的格式指令的格式4.2.1指令的编码格式4.2指令的格式指令的格式两个字段：操作码字段+操作数地址字段操作码字段OC地址码字段AC 操作码 操作数地址码操作码是指明指令操作性质的命令码。它提供指令的操作控制信息。（1）每条指令都要求它的操作码必须是独一无二的位组合。（2）指令系统中指令的个数N与操作码的位数n，必须满足关系式：N2n（1）地址码：用来描述该指令的操作对象。（2）指令字长=

4、操作码的位数+(操作数地址个数)(操作数地址码位数)4.2.1指令的编码格式4.2指令的格式指令的格式 这是一种没有操作数地址部分的指令格式。这种指令有两种可能：这种指令有两种可能：（1 1）无需任何操作数。如空操作指令，停机指令等。）无需任何操作数。如空操作指令，停机指令等。（2 2）所需的操作数是默认的：堆栈。）所需的操作数是默认的：堆栈。操作码OC4.2.1指令的编码格式4.2指令的格式指令的格式AC1操作码OC （1）指令中给出的一个地址即是操作数的地址，又是）指令中给出的一个地址即是操作数的地址，又是操作结果的存储地址。如加操作结果的存储地址。如加1、减、减1、移位等单操作数指令。、

5、移位等单操作数指令。（2）在某些计算机中，指令中提供的一个地址提供一）在某些计算机中，指令中提供的一个地址提供一个操作数，另一个操作数是由机内硬件寄存器个操作数，另一个操作数是由机内硬件寄存器“隐含隐含”地自地自动提供的。所谓动提供的。所谓“隐含隐含”是指此操作数在指令中不出现，而是指此操作数在指令中不出现，而是按照事先约定由寄存器默认提供，运算结果仍送到寄存器是按照事先约定由寄存器默认提供，运算结果仍送到寄存器中。因为这个寄存器在连续运算时，保存着多条指令连续操中。因为这个寄存器在连续运算时，保存着多条指令连续操作的累计结果，故称为累加器作的累计结果，故称为累加器(AC)。4.2.1指令的编

6、码格式4.2指令的格式指令的格式 （1）把保存操作前原来操作数的地址称为源点地址）把保存操作前原来操作数的地址称为源点地址(SS)，把保存指令执行结果的地址称为终点地址或目的地址把保存指令执行结果的地址称为终点地址或目的地址(DD)。（2）将源点与终点操作数进行操作码规定的操作后，将）将源点与终点操作数进行操作码规定的操作后，将结果存入终点地址。通常二地址指令又称为双操作数指令。结果存入终点地址。通常二地址指令又称为双操作数指令。AC1操作码OCAC2示示例例ADD R0，R1表示将R0寄存器的内容和R1寄存器的内容相加以后，将结果存入R1寄存器中。ADD (R0)，R1表示将R0寄存器的内容

7、作为地址，到内存中取出该地址所指向的单元内容作为源点操作数，和作为终点操作数的R1寄存器的内容相加以后，将结果存入R1寄存器中。4.2.1指令的编码格式4.2指令的格式指令的格式 其操作是对其操作是对AC1、AC2指出的两个操作数进行操作指出的两个操作数进行操作码所规定的操作，并将结果存入码所规定的操作，并将结果存入AC3中。中。示示例例 ADD X Y Z 含义为 （X）+（Y）Z 即X单元内容加上Y单元内容，结果送Z单元中。AC1操作码OCAC3AC24.2.1指令的编码格式4.2指令的格式指令的格式 含义：含义：ADD X Y Z W A、（、（X）+（Y）Z B、（、（W）下一条指令地

8、址下一条指令地址特特点点 A、直观明了；B、程序执行的流向明确；C、操作数和结果可以分散在内存各处。D、但是指令字长度太长。例如四地址指令格式AC1操作码OCAC4AC3AC24.2.1指令的编码格式4.2指令的格式指令的格式1、指令字长要短，以得到时间和空间上的优势。、指令字长要短，以得到时间和空间上的优势。2、指令字长必须有足够的长度。、指令字长必须有足够的长度。3、指令字长一般应是机器字符长度的整数倍以便存储系、指令字长一般应是机器字符长度的整数倍以便存储系统的管理。若机器中字符码长是统的管理。若机器中字符码长是L位，则机器字长最好是位，则机器字长最好是L，2L，4L，8L等。等。4、指

9、令格式的设计还与如何选定指令中操作数地址的位、指令格式的设计还与如何选定指令中操作数地址的位数有关。数有关。4.2.2指令字长与扩展方法4.2指令的格式指令的格式操作码和地址码间的权衡（操作码有两种编码格式）操作码和地址码间的权衡（操作码有两种编码格式）固定格式固定格式：操作码长度固定，且集中放在指令：操作码长度固定，且集中放在指令字的一个字段中。字的一个字段中。可变格式可变格式：即操作码长度可变，且分散地放在：即操作码长度可变，且分散地放在指令字的不同字段中。指令字的不同字段中。扩展操作码要点：扩展操作码要点：操作码位数随地址码个数变化采取可变长度类型；操作码位数随地址码个数变化采取可变长度

10、类型；指令间指令码一定不重复；指令间指令码一定不重复；根据需要灵活变通。根据需要灵活变通。4.2.3指令助记符4.2指令的格式指令的格式 通常采用一些符号来代表二进制数据，这些符号即通常采用一些符号来代表二进制数据，这些符号即指令助记符。指令助记符。指令助记符指令助记符含义含义ADD相加SUB相减MUL相乘DIV相除指令助记符指令助记符含义含义AND相与OR相或LOAD从存储器取数据STORE存数据到存储器助记符示例助记符示例4.3.1寻址方式和有效地址的概念4.3寻址方式寻址方式 显示寻址显示寻址 隐含寻址隐含寻址I寻址寻址方式方式 从形式地址生成有效地址的各种方式称为寻址方式寻址方式 操作

11、数所在的真实地址有效地址 指令中直接给出的地址形式地址4.3.2常用的寻址方式4.3寻址方式寻址方式1.立即寻址方式 （1）含义：地址字段给出的是可以立即使用的操作数实际值，称立即寻址方式。（2）优缺点：A、优点：提供操作数最快。B、缺点：精度较低，可采用变字长格式解决。例如：在IBM-PC指令系统中 MOVAX，05FFH2.直接寻址方式 （1）含义：是指地址字段直接指明操作数在存储器内的位置的寻址方法。即形式地址等于有效地址。（2）优缺点：A、优点：简单，不需要进行加法运算。B、缺点：地址空间指令地址字段长度的限制。例如：在IBM-PC指令系统中 MOVAX，3000H4.3.2常用的寻址

12、方式4.3寻址方式寻址方式3.间接寻址方式 （1）含义：指令字中地址码字段给出的不是操作数地址，而是操作数地址的地址。（2）优缺点：A、优点：实现简便，对编程带来较大的灵活性。B、缺点：多次访问内存，增加了指令的执行时间；占用主存储器单元多。例如：在IBM-PC指令系统中 MOV AX，BX4.3.2常用的寻址方式4.3寻址方式寻址方式4.寄存器寻址方式 （1）含义：把指令字中的地址码用寄存器编号来代替，寄存器的作用由寻址方式码来指定。（2）优缺点：A、优点：有效压缩指令字长、加快存取速度、编程灵活。B、缺点：地址空间有限。例如，在PDP-11机中ADD R0，R14.3.2常用的寻址方式4.

13、3寻址方式寻址方式5.寄存器间接寻址方式 （1）含义：寄存器间接寻址方式类似于间接寻址方式，寄存器的内容是存储器的有效地址。（2）优缺点：寄存器间接寻址方式的优、缺点类似于间接寻址方式的优、缺点。寄存器间接寻址方式比间接寻址方式少了一次存储器的访问。例如，在PDP-11机中ADD R0，R14.3.2常用的寻址方式4.3寻址方式寻址方式6.偏移量寻址方式 （1）含义：偏移量寻址方式是直接寻址与寄存器间接寻址相结合的一种寻址方式。（2）使用方式：相对寻址 基址寄存器寻址 变址寻址4.3.2常用的寻址方式4.3寻址方式寻址方式o 计算机的指令系统包括传送类指令、算术运算类指令、逻辑运算类指令、移位

14、及循环类指令、程序控制类指令、处理器控制指令、串操作类指令、位操作类指令等。这些指令的集合构成某一具体机器的指令系统。4.4指令的种类指令的种类4.4.1传送类指令4.4指令的种类指令的种类数据传送指令MOV用于实现立即数、寄存器及存储器之间的数据传送，其格式如下：MOV OPRD1，OPRD2MOV是操作码，OPRD1和OPRD2分别是目的操作数和源操作数。1.数据传送指令4.4.1传送类指令4.4指令的种类指令的种类数据交换指令XCHG的格式如下：XCHG OPRD1，OPRD2（exchange）交换指令把一字节或一字的源操作数与目的操作数相交换。2.数据交换指令用于堆栈操作指令的主要有

15、：PUSH OPRD ；进栈指令POP OPRD ；出栈指令3.堆栈操作指令统一编址当内存与接口地址统一编址时，内存与接口同属于一个地址空间，用于内存的指令原则上均可用于接口。独立编址当内存与接口地址采用独立编址时，它们的地址是相互独立的。4.输入/输出指令4.4.2算术运算类指令4.4指令的种类指令的种类通用寄存器 通用寄存器存储器存储器通用寄存器 立即数 存储器存储器进行加/减运算的源操作数和目的操作数的关系算术运算类指令可提供加、减、乘、除4种基本算术运算的操作指令。这些指令可实现字节或字的运算，符号数和无符号数的运算，加1减1运算，比较运算，各种校正操作，以及十进制的算术运算。4.4.

16、3逻辑运算指令4.4指令的种类指令的种类 AND指令对两个操作数进行按位与逻辑运算。与与AND2 NOT指令对操作数进行求反操作，然后将结果送回。取反取反NOT1测试测试TEST3 TEST指令的功能与AND指令相同，但结果不送回。4.4.3逻辑运算指令4.4指令的种类指令的种类 XOR指令对两个操作数进行按位异或运算。异或异或XOR5 OR指令对两个操作数进行按位或逻辑运算。或或OR44.4.4移位、循环类指令4.4指令的种类指令的种类CF位移指令SAL/SHL操作示意图CFSAR操作示意图0CFSHR操作示意图4.4.4移位、循环类指令4.4指令的种类指令的种类不带进位标志的循环左移指令R

17、OL操作数CFMSBLSB包括进位标志的循环右移指令RCRCFMSBLSB操作数包括进位标志的循环左移指令RCLCFMSBLSB操作数不带进位标志的循环右移指令RORCFMSBLSB操作数4.4.5程序控制类指令4.4指令的种类指令的种类1）无条件转移指令JMP/JUMP JMP/JUMP指令有多种寻址方式，可以使用该指令使程序实现无条件转移。2）子程序调用和返回指令CALL 子程序调用指令CALL用来调用一个过程或子程序。当子程序执行结束时，子程序的最后一条指令是子程序返回指令RET。子程序调用过程如右图所示。4.4.5程序控制类指令4.4指令的种类指令的种类条件转移指令条件转移指令软件中断

18、指令及中断返回指令软件中断指令及中断返回指令条件转移指令根据标志寄存器中各标志位的状态，决定程序是否进行转移。当满足条件转移时转移到目的地址上执行；当不满足条件时，顺序向下执行。条件转移指令大都采用相对寻址方式，转移目的地址必须在规定的范围内。在CPU中，一般都会设置软件中断指令。当程序执行到软件中断指令INT时，便中断当前程序的执行，转向该中断的中断处理程序。中断处理程序结束时，要再执行一条中断返回指令IRET，才能使CPU返回主程序的原中断点并开始执行原来的程序。4.4.6处理器控制指令4.4指令的种类指令的种类 处理器控制指令用来控制与协处理器之间的交互作用，修改标志寄存器，以及使处理器

19、与外部设备同步等。处理器控制指令如下：格式操作标志位操作指令STC置进位标志，使CF=1CLC清进位标志，使CF=0CMC进位标志求反STD置方向标志，使DF=1CLD清进位标志，使DF=1STI开中断标志，使IF=1CLI清中断标志，使IF=0格式操作标志位操作指令HLT使处理器处于停止状态，不执行指令WAIT使处理器处于等待状态LOCK封锁总线指令，可放在任一指令前作为前缀NOP空操作指令，处理器什么操作也不做4.4.7串操作指令4.4指令的种类指令的种类 在存储器中存放的一串字或字节可以是二进制数，也可以是BCD码或ASC码。它们存放在某一个连续的内存区中，若对它们的每字或字节均进行同样

20、的操作，该操作就称串操作。格式名称串操作指令MOVS/MOVSB/MOVSW串传送指令CMPS/CMPSB/CMPSW串比较指令SCAS/SCASB/SCASW串扫描或串搜索指令LODS/LODSB/LODSW串装入指令STOS/STOSB/STOSW字串存储指令4.4.8位操作指令4.4指令的种类指令的种类 位操作指令是对某一位进行操作的指令，也就是对一个字（字节）中的某一位进行操作的指令。位操作指令位操作指令位位传传送指令送指令位控制指令位控制指令位位逻辑运逻辑运算指令算指令位位转转移指令移指令4.4.9其他指令4.4指令的种类指令的种类硬件技术的发展和多媒体技术的兴，还要求CPU能够处理

21、单指令多数据流（SIMD）。因此，在CPU中还会设置一些功能更强的专用指令，如数据转换指令、特权指令、数字信号处理（DSP）指令、SIMD多媒体指令集（MMX)、SSE（多数据流SIMD扩展指令集）、SSE2、SSE3、SSE4等。冯诺依曼计算机体系结构给出了程序存储和程序控制的基本运作结构。指令的执行过程是取指令、分析指令、执行指令，再取指令、分析指令、执行指令的循环往复过程，直到计算机断电或停机为止。指令在执行过程中，不同的CPU有不同的方式，可分为顺序、重叠和流水3种方式。4.5指令的执行方式指令的执行方式4.5指令的执行方式指令的执行方式4.5.1顺序执行方式4.5.2重叠执行方式4.

22、5.3流水线方式4.6指令系统分类及高级语言指令系统分类及高级语言4.6.1CISC与RISC （1）复杂指令集计算机（CISC：Complex Instruction Set Computer）指令系统十分庞大，指令类型、寻址方式较多，机器语言和高级语言之间的语义差距正在缩小。（2）精简指令集计算机（RISC：Reduced Instruction Set Computer）。选用使用频率最高的少数指令，尽量使所有的简单指令在一个机器周期内执行完，采用大量的寄存器、高速缓冲存储器等技术，通过优化编译程序，提高处理速度。机器语言和高级语言的差距较大，这个差距主要靠提高计算机运行速度和配置优化编

23、译程序来弥补。传统的冯诺依曼计算机的机器语言和高级程序设计语言在语义上的差别的主要原因：（1）存储器组织方式不同。冯诺依曼计算机的存储器是一维的线性结构，而高级程序设计语言表示的存储器则是一组变量，访问时调用变量即可，不必考虑访问方法，而且数据结构经常是多维的，如数组结构。（2）高级程序设计语言中，高级语言中的每种操作对于任何数据类型都是通用的，数据类型直接属于数据本身，而冯诺依曼计算机的数据本身没有属性标志，同一种操作要用不同的操作码来对数据类型进行区分。这些差别间的变换工作，主要由编译程序来承担。4.6指令系统分类及高级语言指令系统分类及高级语言4.6.2指令系统与高级语言o一台计算机中所有机器指令的集合称为该计算机的指令系统。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计算机的硬件结构，而且也影响到系统软件。o指令格式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。操作码字段表征指令的操作特性与功能，而地址码字段指示操作数的地址。o形成操作数地址的方式，称为数据寻址方式。操作数可放在专用寄存器、通用寄存器、内存和指令中。o不同计算机有不同的指令系统。一个较完善的指令系统应当包含数据传送类指令、算术运算类指令、逻辑运算类指令、程序控制类指令、I/O类指令、字符串类指令、系统控制类指令。