计算机组成原理第四章 指令系统

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4.2 指令格式
2、扩展操作码
对于操作码长度不固定的指令,其操作码分散在指令的 不同字段中。这种格式可有效地压缩操作码的平均长度,在 字 长 较 短 的 微 型 机 中 广 泛 采 用 。 例 如 PDP-11 、 Intel8086/80386等,操作码的长度是可变的。 操作码长度可变使控制器设计复杂化。通常采用扩展操 作码技术,使操作码的长度随地址数的减少而增加,不同地 址数的指令可以有不同的操作码,从而有效的缩短指令字长。
15 ②操 作 码
15
③操 作 码
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98
65
32
0
寄存器号 寻址方式 寄存器号
98
65
32
0
寄存器号 寻址方式
4.2 指令格式
15 ④ 操作码 15 ⑤ 操作码 87 位移量 54 0 0
条件码
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4.2 指令格式
[例1] 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 7 4 3 0 OP -------源寄存器 目标寄存器 [解]: (1)单字长二地址指令。 (2)操作码字段OP可以指定128条指令。 (3)源寄存器和目标寄存器都是通用寄存器(可 分别指定16个),所以是RR型指令,两个操作数 均在寄存器中。 (4)这种指令结构常用于算术逻辑运算类指令。
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4.2 指令格式
4.2.3 地址结构 ⑶二地址格式:它有两个操作数地址字段A1和A2。 (A1)OP(A2) →A1
⑷三地址格式:它有三个操作数地址字段A1、A2和A3。 (A1)OP(A2) →A3
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4.2 指令格式
4.2.3 地址结构
从操作数的物理位置来说,又可分为三种类型: 第一种:访问内存的指令格式, 存贮器——存贮器SS型 第二种:访问寄存器的指令格式, 寄存器——寄存器RR型 第三种:寄存器——存贮器RS型 请问哪种速度最快?哪种最慢? RR型最快,SS型最慢,
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4.2 指令格式
4.2.1 指令字长度
3、固定字长和变字长指令 ⑴ 如果各种指令字长度是相等的,称为等长指令字结构。 特点:结构简单、易于硬件实现; ⑵ 如果各种指令字长度是随指令功能而变化,称为变长指 令字结构。 特点:能充分利用指令长度、但指令的控制较复杂。 早期计算机如NOVA系列,采用定字长指令格式,每条指 令16位。 现代计算机广泛应用变字长指令,例如,IBM370系列, 它的指令格式有16位(半字)的,有32位(单字)的,还有 48位(一个半字)的。Pentium系列机,指令格式也是可变的: 有8位、16位、32位、64位不等。
4.2 指令格式
指令格式举例
不同的机器有不同的指令格式 1、IBM370的指令格式。 IBM370曾经是大型机的重要代表,它根据操作 数的不同来源,分为: RR(寄存器——寄存器)型; RS(寄存器——存贮器)型; RX(寄存器——变址存贮器)型; SI(寄存器——立即数)型; SS(存贮器——存贮器)型; 指令字长度可变,但操作码长度不变。相应地设 置了5种主要的指令格式如下:
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4.2 指令格式
4.2.3 地址结构
根据指令中地址数的多少可分为几地址指令。一 般的操作数有被操作数、操作数及操作结果这三种 数,因而就形成了三地址指令格式。现在又发展成 为二地址格式、一地址格式和零地址格式。 ⑴ 零地址格式:只有操作码,没有地址码。如停机指 令。 ⑵一地址指令:只有一个地址码,另一个操作数地址 隐含指定,如累加器AC。 (AC)OP(A) →AC
4.2 指令格式
SI格式 2 6 11 OP 8 L 4 Rb1 12 4 D1 Rb2 12 D2
上图中,Ri,Rj为16个通用寄存器中的任意两个寄存器号,分别用4位字段表示。 Rx——为变址寄存器号 Rb——为基址寄存器号 D——为位移量,占12位 I——为立即数,占8位 L——可以是一个8位字段或两个4位字段,用来指定一个或两个操作数的长度。
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4.2 指令格式
4.2.1 指令字长度
2、机器字长:是指计算机能直接处理的二进制数据 的位数,一般与主存单元的位数一致。由指令字长 和机器字长之间的关系又可分为半字长指令、单字 长指令,双字长指令。 采用单字长指令,则访问内存所花费的时间短。 采用多字长指令,可以有足够的地址位来解决访 问内存任何单元的寻址问题,但缺点是必须两次或 多次访问内存,浪费时间,且又占用了更多的内存 空间。
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4.1 指令系统的发展与性能要求
4.1.2 对指令系统性能的要求
一个完善的指令系统应满足如下四个方面的要求: 1.完备性: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。 2.有效性:指该指令系统所编写的程序能够高效的运 行。占空小、速度快。 3.规整性:指指令系统的对称性、匀齐性、指令格式 和数据格式的一致性。 4.兼容性:同一系列的不同机型,指令系统兼容。但 不同机型在结构和性能上有差异,完全兼容是不可 能的。只能做到“向上兼容”。
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4.3 指令和数据的寻址方式
2. 跳跃寻址方式
当程序转移执行的顺序时,指令的寻址就采取 跳跃寻址方式。所谓跳跃,是指下条指令的地址码 不是由程序计数器给出,而是由本条指令给出。程 序跳跃后,按新的指令地址开始顺序执行。 采用指令跳跃寻址方式,可以实现程序转移 或构成循环程序。指令系统中的各种条件转移或无 条件转移指令,就是为了实现指令的跳跃寻址而设 置的。
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4.1 指令系统的发展与性能要求
4.1.1 指令系统的发展
一台计算机中所有机器指令的集合,称为这台计算机的 指令系统。 指令系统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,由于硬件结构简单,指令系统就只有 定点加减、逻辑运算、数据传送、转移等几十条指令。
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4.3 指令和数据的寻址方式
4.3.2 操作数的寻址方式
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9.
隐含寻址 立即寻址 直接寻址 间接寻址 寄存器寻址方式 寄存器间接寻址方式 基值寻址方式 变址寻址方式 相对寻址方式
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4.3 指令和数据的寻址方式
隐含寻址 这种类型的指令,不是明显地给出操作数的地址, 而是指令中隐含着操作数的地址。
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4.2 指令格式
4.2.4 指令助记符
由于硬件只能识别1和0,所以采用二进制操作码 是必要的,但书写程序十分麻烦。 为了便于书写和阅读程序,每条指令通常用几个 英文缩写字母来表示,可以望文生义,这种缩写码 叫指令助记符。 例如:ADD 001 SUB 010 MOV 011
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4.2.2 操作码格式
指令的操作码OP表示指令应进行什么性质的操作。 操作码的位数决定了该操作类型的多少。 操作码字段不同的编码表示不同的操作。 操作码大致有以下两种: 1.定长操作码:该操作码的位数与位置固定,通常 占据指令最前面的几位。 特点:便于硬件设计和指令译码时间短。 该方式广泛用于字长较长的、大中型计算机和小型计 算机以及RISC中。 例如:IBM370和VAX-11系列机, 操作码长度均为8位。
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4.2 指令格式
2、PDP-11指令格式 PDP-11曾是16位机的典型代表,其指令的 基本字长为16位,但根据不同的寻址方式, 在16位指令字之后还可以跟2~4字节的存贮 器地址,采用了扩展操作码的方法。下面介 绍了几种16位的指令字格式。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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4.2 指令格式
15 12 11 9 8 65 32 0 ① 操作码 寻址方式 寄存器号 寻址方式 寄存器号
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4.2 指令格式
[例2] 指令格式如下所示,OP为操作码字段,试分析 指令格式特点。 15 10 7 4 3 0 OP -------源寄存器 变址寄存器 位移量(16位) [解]: (1)双字长二地址指令,用于访问存储器。 (2)操作码字段OP为6位,可以指定64种操作。 (3)一个操作数在源寄存器(共16个),另一个 操作数在存储器中(由变址寄存器和位移量决定) 所以是RS型指令。
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4.2 指令格式
一条指令应提供两方面的信息: 1、是指明操作的性质,即干什么工作 2、指明操作数的来源,地址 指令的基本格式如下:
操作码字段OP 地址码字段A
在指令格式设计时应相应地考虑如下问题: ①指令字长需要多少位,是定字长还是变字长; ②操作码是定长还是扩展,是一段还由若干段组合; ③地址结构:一条指令的执行涉及到哪些地址,在指 令中给出哪些地址,哪些地址隐含的约定;
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4.2 指令格式
RR格式 2 6 00 OP 4 Ri 4 Ri 4 Rj 4 Rx 4 Rb 12 D
RX格式 2 6 01 OP
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4.2 指令格式
RS格式 2 6 10 OP SI格式 2 10 4 Ri 4 Rj 4 Rb 12 D
6 OP
8 I
4 Rb
12 D
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第 四

指 令 系 统
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4.1 指令系统的发展与性能要求
4.1.1 指令系统的发展
计算机的程序是由一系列的机器指令组成的。
指令就是指挥计算机执行某种操作的命令。 从计算机组成的层次结构来说,指令可以分为: 1.微指令 2.宏指令 是微程序级 属于硬件 由若干条机器指令组成 属于软件
3.机器指令 介于上述两者之间 通常称为指令 每一条指令可以独立的完成一个算术运算或逻辑运算。
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4.3 指令和数据的寻址方式
立即地址
指令的地址字段指出的不是操作数的地址,而是操作数 本身,这种寻址方式称为立即寻址。立即寻址方式的特点是 指令执行时间很短,因为它不需要访问内存取数,从而节省 了访问内存的时间。 例如:
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4.3指令和数据的寻址方式
4.3.1 指令的寻址方式
一种是顺序寻址方式,另一种是跳跃寻址方式。
1. 顺序寻址方式
指令地址在内存中按顺序安排,当执行一段程 序时,通常是一条指令接一条指令的顺序执行。 从存储器取出第一条指令,然后执行这条指令; 接着从存储器取出第二条指令,在执行第二条指令; 接着再取出第三条指令……这种程序顺序执行的过 程,我们称为指令的顺序寻址方式。 为此,必须使用程序计数器(又称指令指针寄 存器)PC来计数指令的顺序号,该顺序号就是指令 在内存中的地址.
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4.2 指令格式
④ 寻址方式:如何获得操作数地址,是直接给出还是 间接给出,或是经过变得计算获得等。
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4.2 指令格式
4.2.1 指令字长度
1、一条指令字中包含二进制代码的位数,称为指令字 长度。
指令字越长→表示的信息越多,功能越丰富, →占用空间就越多→读取的时间越长。 指令字越短→表示的信息越少,功能越简单, →占用空间就越少→读取的时间越短。
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4.2 指令格式
2、扩展操作码
设某机器的指令长度为16位,有4位基本的操作码 字段和两个6位地址码字段,其格式如下:
15 OP
12 11 A1
65 A2
0
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4.2 指令格式
①.二地址指令只用15条,由4位基本操作码0000----1110组合给出,剩余一个1111用于把操作码扩展到A1。 ②.单地址指令由操作码 1111 000000----1111 111110给出, 剩余一个1111 111111用于把操作码扩展到A2。 ③.零地址的16位操作码由 1111 111111 000000-----1111 111111 111111给出。 二地址指令有15条,单地址指令有63条,零地址 指令有64条,共计142条指令。
60年代,随着集成电路的出现,又设置了乘除运算、浮点 运算、十进制运算、字符串处理等指令,达一二百条。
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4.1 指令系统的发展与性能要求
4.1.1 指令系统的发展
70年代末期,随着VLSI技术的发展,大多数计算 机的指令系统多达几百条。称为复杂指令系统计算 机,简称为CISC。 但CISC的研制周期长,难以保证正确性,不易调 试,很多指令使用频率低且造成硬件资源浪费。为 此又提出了精简指令系统计算机,简称RISC。
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