白中英计算机组成原理第4章 指令系统

由汇编或编译程序，将助记符翻译成机器代码。
2013年7月9日星期二
27
4.2.5 指令格式举例（1/2）
P110 【例1】
某16位系统中，指令格式如下所示，其中OP为操作码，试分 析指令格式的特点。
15 9
OP
8 ——
7
4
3
0
源寄存器
目的寄存器
单字长二 单字长 两 ① 指令字长为_________，操作数的数目为____个。 地址指令
OP (Acc) Acc 如CBW指令
一地址指令 ① 单操作数运算：
OP
A1
OP (A1) A1
如INC指令 如MUL指令
17
② 双操作数运算：隐含一个操作数，如Acc
(Acc) OP (A1) Acc/A1
2013年7月9日星期二
4.2.2 地址码（2/2）
两地址指令
OP A1 A2
功能： (A1) OP (A2) A1 三地址指令
OP A1 A2
如ADD、XOR等指令
A3
功能： (A1) OP (A2) A3 多地址指令（如四地址） 这类指令功能强，一般用高档小型机或中大型机，用于实 现成批数据处理，字符串处理、向量或矩阵运算指令等。
2013年7月9日星期二 18
可用于扩展零地址码指令的编码有[ (28－K)×212－L]个；
因此，零地址码指令最多有 [（28－K）×212 －L] ×212条。
2013年7月9日星期二
25
4.2.3
机器字长
指令字长度
运算器一次能处理的二进制数的位数。
机器指令的长度直接决定着CPU运算的精度和直接寻址能 力的大小； 指令字长 一个指令字中包含二进制代码的位数；
程序——用于解决实际问题的一系列的指令; 指令——使计算机执行某种操作的命令； 从组成的层次结构来说，计算机的指令可分为如下3类：
微指令：微程序级的命令，它属于硬件；
机器指令（指令）：可完成一个独立的算术或逻辑运算； 宏指令：由若干条机器指令组成的软件指令，它属于软件； 指令系统：一台计算机中所有机器指令的集合。 直接影响机器的硬件结构、软件系统、以及机器的适用范围。
8 位操作码
A1 0000 1111 0000
0000
A2 A1
32条一地址指令
12 位操作码
A1 0000
16条零地址指令 1111
23
16 位操作码
2013年7月9日星期二
此指令系统共具有75条指令
【例】某机指令字长32位，一个操作数地址为12位，有 双地址码、单地址码、零地址码3种格式的指令。 若采用扩展操作码的方式来设计指令，已知双地址码指 令K条，单地址码指令L条，问零地址码指令有多少条？
A1
A2
无用
无用 无用
无用 无用
无用
操作码字段长度取决于指令系统中的指令总数目；
地址码较少的指令，编码浪费； 操作码扩展
对于不需要某个地址码的指令，把它们的操作码扩充到该 地址字段；
既充分利用指令字的各字段，又在不增加指令长度的情况 下扩展操作码的长度。
2013年7月9日星期二 20
操作码扩展举例（1/3）
操作码长度为32位
操作码的可扩展位为32－20＝12位。
2013年7月9日星期二 24
【例】某机指令字长32位，一个操作数地址为12位，有 双地址码、单地址码、零地址码3种格式的指令。 若采用扩展操作码的方式来设计指令，已知双地址码指 令K条，单地址码指令L条，问零地址码指令有多少条？
由以上分析的指令格式，及题目可知： 双地址码指令最多有28条； 可用于扩展单地址码指令的编码有(28－K)个； 单地址码指令最多有（28－K）×212条：
第4章 指令系统
目录
4.1 指令系统的发展与性能要求
4.2 指令格式 4.3 操作数类型 4.4 指令和数据的寻址方式 4.5 典型指令 4.6 本章练习题
2013年7月9日星期二 2
考研计算机统考大纲要求
（一） 指令格式
1. 指令的基本格式
2. 定长操作码指令格式 3. 扩展操作码指令格式
（二）指令的寻址方式
指令长度和数据长度有一定的关系，以方便处理和 存取；
2013年7月9日星期二 12
4.1.3 低级语言与硬件结构的关系
低级语言： 机器语言、汇编语言
面向机器的语言，和具体机器的指令系统密切相关。
高级语言与低级语言的比较如P105 表4.1
2013年7月9日星期二
13
4.2 指令格式
4.2.1 操作码 4.2.2 地址码 4.2.3 指令字长度 4.2.4 指令助记符 4.2.5 指令格式举例
不常使用的指令可利用操作码扩展技术进行扩展；
优点：充分利用软硬件资源，适用于大规模的指令系统。
2013年7月9日星期二 16
4.2.2 地址码（1/2）
一条指令格式中有几个地址码字段，就称为是几地址指令；
零地址指令
OP
① 无任何操作数运算，如NOP、HALT等指令。 ② 单操作数运算：隐含一个操作数，如Acc 。
1111
此指令系统共具有61条指令
22
操作码扩展举例（3/3）
4 位操作码
0000 A1 ...... 1110 A1 1111 0000 ...... 1111 1011 1111 1100 ...... 1111 1101 1111 1110 ...... 1111 1110 A2 A2 A1 A3 15条三地址指令 A3 A2 12条二地址指令
两地址指令的分类
存储器-存储器（SS）型指令 A1、A2均为存储单元； 这类指令的执行需要多次访存。
OP
根据操作数的物 理位置分。
A1 A2
哪种类型指令执行速度 寄存器-寄存器（RR）型指令
较快，哪种指令较慢？ A1、A2均为寄存器（通用寄存器、专用寄存器）； 为什么？
这类指令的执行不需要访存，因此速度很快。
2013年7月9日星期二
8
RISC
RISC（Reduced instruction set computer）
从简化指令系统和优化硬件设计的角度来提高系统的性能 与速度。
RISC指令系统的主要特点：
1. 选取使用频率高的简单指令； 2. 指令长度固定，指令格式少，寻址方式种类少； 3. 采用流水线技术； 4. 使用较多的通用寄存器，减少访存； 5. 控制器以组合逻辑控制为主； 6. 采用优化编译技术；
2013年7月9日星期二
7
CISC
CISC（complex instruction set computer）
采用复杂的的指令系统，来达到增强计算机的功能、提 高机器速度的目的。
特点： 1.指令系统复杂庞大，指令数目多； 2.指令格式多，字长不固定，多种寻址方式； 3.可访存指令不受限制； 4.各种指令的执行时间相差很大； 5.大都采用微程序控制器；
2013年7月9日星期二 21
操作码扩展举例（2/3）
4 位操作码 0000 A1
...... 1110 A2 A3
15条三地址指令
A2 A3
A1
如果采用操作码扩展方法能否设计一
1111 0000 A1 A2 8 位操作码 ...... 15条二地址指令 个具有三地址指令15条，双地址指令 1111 1110 A1 A2
2013年7月9日星期二 6
系列计算机
基本指令系统、基本体系结构相同的一系列计算机； 但具体的器件、结构和性能都不会完全相同； 一般，新机种在各方面要优于旧机种。
一个系列往往有多种型号，各型号计算机的指令系统是 向下兼容的。 新机种的指令系统包含旧机种的全部指令；
如Pentium系列PC机。
1. 有效地址的概念 2. 数据寻址和指令寻址 3. 常见寻址方式 （三） CISC和RISC的基本概念
2013年7月9日星期二 3
4.1 指令系统的发展和性能要求
4.1.1 指令系统的发展
4.1.2 对指令系统性能的要求
4.1.3 低级语言与硬件结构的关系
2013年7月9日星期二
4
4.1.1 指令系统的发展
128 ② 该指令格式的指令最多可有_____条。 RR ③ 根据此二地址指令的操作数位置来看，属于____型指令。 RS型、RR型、SS型 算术逻辑运算 ④ 这种指令结构常用于_______________类指令。
兼容性
同一系列的低档计算机的程序能够在新的高档计算机上运行。
2013年7月9日星期二 11
指令系统的规整性要求
规整性包括对称性、匀齐性、指令格式和数据格式的 一致性三方面的要求。 对称性 所有的指令都可使用各种寻址方式； 匀齐性 一种操作性质的指令可以支持各种数据类型；
指令格式和数据格式的一致性
2013年7月9日星期二
14
指令的一般格式
指令字（简称指令） 表示一条指令的机器字。 指令格式
指令字用二进制代码表示的结构形式，由操作码字段和地 址码字段组成。
操作码字段OP 地址码字段A
操作码字段：表征指令的操作特性与功能；
地址码字段：通常指定参与操作的操作数的地址。
2013年7月9日星期二
2013年7月9日星期二 9
判断以下有关CISC和RISC的描述的正误
A. 采用RISC技术后，计算机的体系结构又回复到早期比 × 较简单的情况； B. 为了实现兼容，新设计的RISC，是从原来CISC系统 的指令系统中挑选一部分实现的； √ C. RISC的主要目的是减少指令；
×
D. RISC设有乘、除法指令和浮点运算指令；×
寄存器-存储器（RS）型指令