第7章指令系统

指令系统的性能
完善的指令系统
完备性
高效性
规整性
兼容性
4．低级语言与硬件结构的关系 计算机的程序是计算机能够识别的一串指令或语 句。编写程序的过程，称为程序设计，而程序设计所 使用的工具则是计算机语言． 计算机语言有高级语言和低级语言之分。高级语言 语句和用法与具体机器的指令系统无关。低级语言分 机器语言（二进制语言）和汇编语言（符号语言）， 这两种语言都是面向机器的语言，它们和具体机器的 指令系统密切相关。
计算机组成原理
第七章 指令系统
2014年4月8日
7.1 指令概述
• 用计算机解题时，一般都要编制程序，程序既可用高级语言 编写，亦可用机器语言编写； • 但计算机只能够识别和执行用机器语言编写的程序； • 各种高级语言编写的应用程序，最终都要翻译成机器语言来 执行。 • 机器语言是由一系列的指令（语句）组成的； • 指令的格式就是机器语言的语法； • 每条指令规定机器完成一定的功能。 • 一台计算机的所有的指令集合称为该机的指令系统或指令集。 它是程序工作者编制程序的基本依据，也是进行计算机逻辑 设计的基本依据 。
操作码
A1
A2
A3
三地址指令
零地址指令的指令字中只有操作码，而没有地址 二地址指令 操作码 A1 A2 码。
操作码
操作码
A
单地址指令
零地址指令
7.3.1 操作码(OP)与地址码(AC)
操作码字段 地址码字段
指令系统中每一条指令对应一个操作码 操作码的长度取决于指令系统的规模
LOP=„log2n‟
例：out port,AL-----长格式 out DX,AL -----短格式
7、PDP-11 指令格式举例
单字长指令
OP（10bit）
MODE(3) Rn(3)
寻址模式
操作数地址
MODE(3) Rn(3)
双字长指令 OP（10bit）
MODE(3)
Rn(3)
源操作数
被操作数
IBM 370系列机的指令格式（1）
三地址指令字中有三个操作数地址。 运算器中累加寄存器AC中的数据为被操作数，指令字的地 几操作数指令或几地址指令。 (A1) OP (A2) → A3 址码字段所指明的数为操作数，操作结果又放回累加寄存器 A1 为被操作数地址，也称源操作数地址； A2为操作数地 AC 中。 一般的操作数有被操作数、操作数及操作结果这 二地址指令常称为双操作数指令，它的两个地址码 址，也称终点（目的）操作数地址； 为存放结果的地址。 (AC) OP (A) → A3 AC 字段分别指明参与操作的两个数在内存中或运算 三种数，因而就形成了三地址指令格式。在此基 同样， A1,A2,A3 既可以是内存中的单元地址，也可以是运算 OP表示操作性质；（ AC）表示累加寄存器AC中的数； 器中通用寄存器的地址， A1作存放操作结果的地址。 器中通用寄存器的地址。 （A）表示内存中地址为A的存储单元中的数或运算器中地 (A1) OP (A2) → A1 础上，后来又发展成二地址格式、一地址格式和零地 址为A的通用寄存器中的数； →表示把操作（运算）结果传 送到指定的地方。 址格式，如下图所示：
若干机器指令组成的软件指令，属于软件
3、按操作数个数分类
三地址指令 二地址指令 一地址指令 零地址指令
OP A1 A2 A3 (A1)OP(A2) → (A3)
OP OP
A1 A1 OP
A2
(A1)OP(A2) → (A1) (AC)OP(A) → AC
如停机,空操作,堆栈指令
4、按操作数的物理位臵分类
7.3 指令格式
指令由操作码和地址码两部分组成，它的基本格式如下： 操作码 地 址 码
1.操作码
• 操作码是说明指令操作性质的二进制数代码。 •操作码所占的二进制位数决定了一台计算机所能允许的指令 条数。
例如，操作码占用六位二进制码时，这台计算机最多允许有：
26＝64 条指令
2. 地址码
单地址指令又称为单操作数指令。通常这种指令通常以 根据一条指令中有几个操作数地址，可将该指令称为
例题：假如某计算机模型：7条指令(I1～I7)，程序中出现的 概率用 Pi表示，则可考虑表5．1所示的方案，这就是扩展操 作码，使用频率高的指令的操作码为2位，低的用4位。这不 是压缩到最小代码的方案，因为在计算机中的操作码还是希 望有一定的规整性，否则会引起硬件实现的复杂化。
由此可见，操作码扩展技术是一种重要的 指令优化技术，它可以缩短指令的平均长度， 减少程序的总位数以及增加指令字所能表示的 操作信息。当然，扩展操作码比固定操作码译 码复杂，使控制器的设计难度增大，且需更多 的硬件来支持。
1111 1110 Y 1111 1111 0000
1111 1111 1110 Z 1111 1111 1111 0000
1111 1111 1111 1111
...
...
...
...
...
Z Z
...
二地址指令 15条
一地址指令 15条 零地址指令 16条
例：若指令字长是16位，若零地址指令有15条、一地 址指令31条、二地址指令14条、三地址指令15条。假 设每个地址码需要用4位的二进制表示，该指令系统应 如何编码？
指令系统基本概念
机器指令（指令） 计算机能直接识别、执行的某种操作命令。 指令系统（指令集） 一台计算机中所有机器指令的集合。 机器硬件设计的依据，也是软件设计的基础。
硬件和软件间的界面，直接影响计算机系统性
能
7.2 指令系统的发展与性能要求
7.2.1指令系统的发展
计算机的程序是由一系列机器指令组成的。 从计算机组成的层次结构来说，计算机的指令有微指令、机 器指令和宏指令之分： · 微指令--微程序级的命令，解释执行机器指令。属于硬件 · 宏指令--由若干条机器指令组成的软件指令，完成某一特 定功能。属于软件 · 机器指令--介于微指令与宏指令之间，通常简称为指令， 完成某一特定操作。 本章所讨论的指令，是机器指令。 1. 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。
指令的平均长度：
P I
i 1 i
n
i
0.45 2 0.28 2 0.17 2
0.05 4 0.03 4 0.01 1 0.01 4 2.2
8、 指令长度与字长的关系
字长：指计算机能直接处理的二进制数据的 位数，它是计算机的一个重要技术指标。 作用:字长决定了计算机的运算精度，字长越 长，计算机的运算精度越高。 一般机器的字长都是字节长度(即8位)的l，2，4 或8倍数。
6、指令字助记符
ADD SUB MOV JMP STR LDA
7、指令操作码的扩展技术
(1)操作码定长
一般在指令字的最高位分配若干个固定位表示操作码。 若操作码占用n位，则可以表示多少条不同的指令？
m 2 n
操作码定长编码法的特点是什么？ 这种格式对于简化硬件设计，减 (2)操作码长度可变
可变长度的指令系统的设计，到底使用何种扩展方 法有一个重要的原则:
就是使用频度(即指令在程序中的出现概率)高的 指令应分配短的操作码；使用频度低的指令相应地分 配较长的操作码。（霍夫曼编码法） 作用：有效地缩短操作码在程序中的平均长度， 节省存储器空间，缩短了经常使用的指令的译码时间， 因而可以提高程序的运行速度。
计算机系统的层次结构
5.高级语言级 4.汇编语言级 3.操作系统级 2.一般机器级
传统机器级
1.微程序设计级
综上所述，汇编语言与硬件的关系密 切，编写的程序紧凑、占内存小、速度 快，特别适合于编写经常与硬件打交道 的系统软件；而高级语言不涉及机器的 硬件结构，通用性强、编写程序容易， 特别适合于编写与硬件没有直接关系的 应用软件。
70年代末期:
大多数计算机的指令系统多达几百条。我们称 这些计算机为复杂指令系统计算机(CISC)。 但是如此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。为此人们又提出了易 于采用 VLSI技术实现的精简指令系统计算机（RISC）。
3．指令系统的性能求
一个完善的指令系统应满足如下四方面的要求： （1） 完备性。完备性是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，而不必用软件来实现。完备性要求指令系统丰富、 功能齐全、使用方便。 （2） 有效性。有效性是指利用该指令系统所编写的程序能够高效率地运 行。高效率主要表现在程序占据存储空间小、执行速度快。 （3） 规整性。规整性包括指令系统的对称性、匀齐性、指令格式和数据 格式的一致性。 · 对称性：在指令系统中所有的寄存器和存储器单元都可同等对待，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； · 格式一致性：指令长度和数据长度有一定的关系，以方便处理和存取。 （4） 兼容性：至少要能做到"向上兼容"，即低档机上运行的软件可以在 高档机上运行。
2．指令系统的发展 （1）系列计算机 系列计算机是指基本指令系统相同、基本体系结构相同的一 个系列的各种型号的计算机。其必要条件是同一系列的各机 种有共同的指令集．而且新推出机种的指令系统一定应包含 所有旧机种的全部指令，即实现"向上兼容"。这样，旧机种 上运行的各种软件可以不加任何修改便可在新机种上运行， 大大减少了软件开发费用。系列机解决了各机种的软件兼容 问题。 （2）指令系统结构 从计算机指令系统的角度看当前的计算机指令系统结构 分为两大类： · 复杂指令集计算机（CISC） · 精简指令集计算机（RISC）
少指令译码时间非常有利，在字 长较长的大、中型机和超级小型 机以及RISC上广泛采用。