指令系统的变化及发展
10 指令系统
指令系统的发展
指令系统的改进是围绕着缩小指令与高级语言的语义差异 以及有利于操作系统的优化而进行的.例如,科学计算中需 要浮点运算指令,高级语言中的IF语句,DO语句需要功能 较强的条件转移指令,为了便于程序嵌套,需要CALL指 令,RETURN指令,操作系统需要控制系统状态的特权指令 和多道程序,多处理机系统的专用指令
扩大寻址能力的方法:①通过增加字长来增加地址码的长度.例80386, 从16位扩展到32位.②采用地址扩展技术,用基地址加位移量来增加 地址码的长度.例8086使用了段寄存器,寻址范围从64K扩展到1M
为了便于处理字符数据和尽可能地充分利用存储空间一般机器的 字长是字节长度的1,2,4,或8倍
指令系统太复杂也会带来一些不利的因素,如设计周期长, 正确性难以保证,不易维护;此外,实验证明,在复杂指令系 统中,算术-逻辑运算,数据传送,转移和子程序调用等基本 指令是经常使用的,其他的复杂指令的利用率很低,于是,提 出了精简指令系统计算机(RISC).
3
指令格式
一条指令必须包含下列信息:
8
指令操作码的扩展
等长编码
简化硬件设计，减少指令译码时间 IBM 370 len（OP）=8 bits，256条指令
不等长编码
对于一部分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,这样既能充分利用指 令的各个字段,又能在不增加指令长度的情况下 扩展操作码的长度,使它能表示更多的指令.
I1 0 00 000 I2 10 01 001 I3 110 10 010
1 I4 1110 1100 011
I5 11110 1101 100 I6 111110 1110 101 I7 111111 1111 110
第4章 指令系统
存取。
二、对指令系统性能的要求三
4、兼容性：
系列机各机种之间具有相同的基本结 构和共同的基本指令集，因而指令系统是 兼容的，即各机种上基本软件可以通用。但 由于不同机种推出的时间不同，在结构和性 能上有差异，做到所有软件都完全兼容是不 可能的，只能做到“向上兼容”，即低档机 上运行的软件可以在高档机上运行。
a、CISC：70年代后，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)。
b、RISC：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。为此人们又提出了便于LSI技 术实现的精简指令系统计算机（RISC） 返回
二、对指令系统性能的要求一
4.4、指令和数据的寻址方式
一、指令的寻址方式 二、操作数寻址方式
三、寻址方式举例
一、指令的寻址方式一
1、寻址方式:形成操作数有效地址或指令 有效（偏移）地址的方式。 2、寻址方式分为两类，既指令寻址方式和 数据寻址方式。 3、指令的寻址方式有两种，一种是顺序寻 址方式，另一 种是跳跃寻址方式。 4、操作数或指令在存储器中的地址：某个 操作数或某条指令存放在某个存储单元 时，其存储单元的编号就是地址。请看 图示
答案：
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例三答案：
三、低级语言与硬件结构的关系
高级语言 低级语言
Visual c++、foxpro、java
与软件结构和指令系统无关 编写的程序可在不同机器上 运行
汇编语言、二进制语言
与机器、指令系统密切相关 编写的指令系统不同，不同
机器用不同汇编语言编写程 序，机器唯一可识别的是二
计算机组成原理-第4章_指令系统
7. 段寻址方式(Segment Addressing)
方法：E由段寄存器的内容加上段内偏移地址而形成。
应用：微型机采用段寻址方式，20位物理地址为16位 段地址左移四位加上16位偏移量。
分类：① 段内直接寻址； ② 段内间接寻址； ③ 段间直接寻址； ④ 段间间接寻址；
9 堆栈寻址方式
堆栈：是一组能存入和取出数据的暂时存储单元。
*** 指令字长度
概念 指令字长度（一个指令字包含二进制代码的位数） 机器字长：计算机能直接处理的二进制数据的位数。 单字长指令 半字长指令 双字长指令
多字长指令的优缺点
优点提供足够的地址位来解决访问内存任何单元的寻址问题 ； 缺点必须两次或多次访问内存以取出一整条指令，降低了CPU的运 算速度，又占用了更多的存储空间。
*** 指令系统的发展与性能要求
*** 指令系统的发展
指令：即机器指令，要计算机执行某种操作的命令。
指令划分：微指令、机器指令和宏指令。
简单
复杂
指令系统：一台计算机中所有指令的集合；是表征
计算机性能的重要因素。
系列计算机：基本指令系统相同、基本体系结构相同 的一系列计算机。
*** 对指令系统性能的要求
（2）立即数只能作为源操作数，立即寻址主要用来给寄存 器或存储器赋初值。以A～F开头的数字出现在指令中时，前 面要加0。
（3）速度快（操作数直接在指令中，不需要运行总线周期）
（4）立即数作为指令操作码的一部分与操作码一起放在代 码段区域中。
（5）指令的长度（翻译成机器语言后）较长，灵活性较差。
【例】MOV AX， 10H 执行后（AX）=？ 其中：这是一条字操作指令，源操作数为立即寻址 方式，立即数为0010H，存放在指令的下两个单元。
微机原理(第二章 指令系统)
2.3 数据传送指令
数据传送类分为四类： 1. 通用传送： ①基本传送指令 MOV ②堆栈操作 ③交换指令 PUSH XCHG POP
2. 累加器专用传送： ①输入/ 输出 ②换码 3. 地址传送 4. 标志传送
2012-8-9
IN XLAT LEA LAHF
OUT
LDS SAHF
LES PUSHF POPF
19
7000 0
2000 1500 73500
CS段
2012-8-9
④ 变址寻址(相对寻址) 变址寻址适用于对一维数组的元素进行操作 ⑴无比例因子 EA=变址寄存器+位移量 16位寻址：SI,DI为基址寄存器, DS为默认段寄存器
32位寻址：除ESP外其余7个32位通用寄存器均可 作为变址寄存器，EBP默认SS为段寄存器，其余均 默认段寄存器为DS
执行后 AL=35H
完成什么功能？
2012-8-9
27
2. 堆栈操作指令 •PUSH 源操作数 进栈指令，先调整堆栈指针（－2）， 再把源操作数压栈 PUSH AX PUSH [SI+5] POP 目标操作数 出栈指令，先将栈顶2字节送目标操作数，再调整 堆栈指针（＋2） POP [SI+5] POP AX 注： 只能有16位通用寄存器进栈/出栈指令 •PUSHF POPF 16位标志寄存器进栈/出栈指令
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2. 减法指令 •SUB 目标操作数， 源操作数 目标操作数－源操作数——>目标操作数 •SBB 目标操作数， 源操作数 目标操作数－源操作数－CF——>目标操作数 •DEC 目标操作数 目标操作数－1——>目标操作数 •NEG 目标操作数 0－目标操作数——>目标操作数 影响A,C,O,P,S,Z 6个标志位 •CMP 目标操作数， 源操作数 只影响标志位，不改变目标操作数
计算机体系结构的发展历程
计算机体系结构的发展历程计算机体系结构是指计算机中各个组成部分的组织方式和相互连接关系，它决定了计算机的功能和性能。
随着计算机技术的不断发展，计算机体系结构也经历了多次演进和革新。
本文将为您介绍计算机体系结构的发展历程，从最早的冯·诺依曼体系结构到现代的并行计算体系结构。
一、冯·诺依曼体系结构冯·诺依曼体系结构是现代计算机体系结构的鼻祖，由冯·诺依曼于1945年提出。
其主要特点是将数据和指令以同等地位存储在存储器中，通过控制器和运算器的协作来实现计算机的运算功能。
冯·诺依曼体系结构由五个基本部件组成：运算器、控制器、存储器、输入设备和输出设备。
二、批处理计算机随着计算机技术的发展，人们对计算机的应用需求也越来越高。
在20世纪50年代和60年代，批处理计算机开始出现，采用了批处理方式进行运算。
批处理计算机顺序地执行一系列任务，无需人工干预。
该体系结构采用分时操作系统，将计算机资源合理分配给多个用户，提高了计算机的利用率。
三、指令流水线指令流水线是20世纪60年代末和70年代初提出的一种计算机体系结构，旨在提高计算机运算速度。
它将指令的执行分为多个步骤，并行地执行不同的指令步骤，从而实现多条指令的同时执行。
指令流水线大大提高了计算机的运算效率，广泛应用于各个领域。
四、超标量和超长指令字超标量和超长指令字是为了进一步提高计算机的性能而提出的两种计算机体系结构。
超标量体系结构通过增加硬件资源提高指令并行度，实现多条指令的同时执行。
超长指令字体系结构通过将多条指令打包成一条长指令，在一次指令的执行过程中完成多条指令的操作，从而提高计算机的指令级并行度。
五、并行计算体系结构随着计算机应用对计算能力的需求不断增加，并行计算成为了计算机体系结构的一个重要发展方向。
并行计算体系结构将计算任务分为多个子任务，由多个处理器并行地执行，从而提高计算机的运算速度。
并行计算体系结构广泛应用于高性能计算、人工智能等领域。
指令系统
3. 60年代出现了系列(series)计算机。 原因:为了继承已有的软件，减少软件的开发费用. 系列计算机：是指基本指令系统相同，基本体系结构相同 的一系列计算机。 如IBM370系列，VAX—11系列，IBMPC(XT／AT／286 ／386／486／Pentium)微机系列等。 优点:在旧机种上运行各种软件可以不加任何修改地在 新机种上运行。（向下兼容）
二 .地址码结构
计算机执行一条指令所需要的全部信息都必须包含在指令 中，对于一般的指令来说，除去操作码(OP)之外，指令还应 包含以下信息： (1)第一操作数地址，用A1表示 (2)第二操作数地址，用A2表示 (3)操作结果存放地址，用A3表示 (4)下条将要执行指令的地址，用A4表示 这些信息可以在指令中明显给出，称为显地址，也可依照 某种事先的约定，用隐含方式给出，称为隐地址。 下面介绍几种指令格式。
为了解决这个问题，在70年代末人们提出了便于VLSI实现 的精简指令系统计算机，简称RISC(精简指令系统计算机)。 CISC：Complex instruction set computer RISC: reduced instruction set computer
5.2 指令格式
计算机的指令格式与机器的字长、存储器的容量 及指令的功能都有很大的关系。
指令的长度与机器的字长没有固定的关系，
它既可以小于或等于机器的字长，也可以大于机器 的字长。前者称为短格式指令，后者称为长格式指 令，一条指令存放在地址连续的存储单元中。 在同一台计算机中可能既有短格式指令又有长 格式指令，但通常是把最常用的指令( 如算术逻辑运 算指令、数据传送指令 ) 设计成短格式指令，以便节 省存储空间和提高指令的执行速度。
例.（方法一） 指令字长16位，可含有3、2、1或 0个地址，每个地址占4位。（见教材P130~131） 操作码 地址码
计算机组成原理 教学大纲
计算机组成原理教学大纲一、说明（一）课程性质学院平台必修课程，学习者需先修数字电路类课程，具备数字电路的基础知识。
该课程是后续操作系统、编译原理、接口技术等许多计算机专业课程的基础课。
（二）教学目的《计算机组成原理》是计算机科学与工程学院所有专业的专业必修主干课程，通过本课程的学习，使学生理解单处理机系统的组成结构以及各功能部件的组成和工作原理，让学生建立计算机的整机概念，初步具备设计简单计算机系统的能力，并对一些新技术、新产品以及计算机硬件的发展方向有一定的了解，为进一步学习本专业后继课程和进行有关的技术工作打下基础。
（三）教学内容计算机的主要组成部分、各部分的功能以及工作原理，主要内容包括运算方法和运算器、多层次存储体系、指令系统、中央处理器、总线系统、外围设备与输入输出系统等（四）教学时数72学时（五）教学方式课堂教学二、本文第一章计算机系统概论教学要点：本章是学习本门课程的基础。
目的是让学生对计算机的组成有一个全面的概括的了解。
了解硬件和软件的概念、计算机组成和计算机体系结构的不同。
掌握计算机系统的层次结构；准确画出计算机的硬件框图，并能解释其工作的过程；能深刻理解硬件的主要技术指标，并用这些技术指标描述常见硬件的性能。
教学时数：4学时教学内容：第一节计算机的分类（0.5学时）模拟计算机和电子计算机以及它们各自的特点。
第二节计算机的发展简史（1学时）计算机的五代变化、半导体存储器的发展、微处理器的发展、计算机的性能指标。
第三节计算机的硬件（1学时）硬件组成要素、运算器、存储器、控制器、适配器与输入输出设备。
第四节计算机的软件（1学时）软件的组成与分类、软件的发展演变。
第五节计算机系统的层次结构（0.5学时）多级组成的计算机系统、软件与硬件的逻辑等价性。
第二章运算方法和运算器教学要点：讲述数据和文字的表示、数据格式以及不同格式数据的基本运算方法、ALU电路的设计。
目的在于使学生了解计算机的基本运算过程。
计算机组成原理——指令系统5
15条二地址指令
12 位操作码
1111 1111 0000 1111 1111 0001 1111 1111 1110 … …
16 位操作码
1111 1111 1111 0000 1111 1111 1111 0001 1111 1111 1111 1111 … … …
…
… …
15条一地址指令
16条零地址指令
RISC
RISC——精简指令系统计算机 RISC的优点 RISC通过简化指令功能使计算机结构更为合理从而提高计算速度 RISC将原CISC中复杂指令用子程序代替 I增多，CPI大大减少 P减少
其中：I为目标程序的指令数、CPI每条指令平均周期数
故：指令执行时间P=I*CPI*T
RISC的特点 (1)优先选取使用频率高以及很有用但不复杂的指令。 (2)指令长度固定，指令格式、寻址方式种类少。 (3)除取数/存数指令外，其余指令操作都在寄存器之间。 (4)CPU中通用寄存器数量多。 (5)大部分指令在一个或小于一个机器周期内完成。 (6)以硬布线控制逻辑为主，不用或少用微码控制。 (7)一般用高级语言编程，重视编译优化工作。
• 指令执行阶段不访存 • A 的位数限制了立即数的范围
2. 直接寻址
EA = A 有效地址由形式地址直接给出
寻址特征
主存
LDA
A
A 操作数 ACC
• 执行阶段访问一次存储器
• A 的位数决定了该指令操作数的寻址范围
• 操作数的地址不易修改（必须修改A）
3. 隐含寻址
操作数地址隐含在操作码中
寻址特征
(1) 四地址
8
6
6
6
6
OP A1 A2 A3 A4
名词解释计算机的指令系统
名词解释计算机的指令系统计算机的指令系统是指计算机硬件与软件之间的沟通桥梁，它定义了计算机能理解和执行的指令集合。
指令系统负责将用户编写的高级语言或机器语言程序转化为计算机可以理解和执行的底层指令，同时也决定了计算机的体系结构、功能和性能。
一、指令系统的基本概念指令系统由一系列指令组成，每个指令都包含了操作码和操作数。
操作码决定了指令的类型，例如，加法指令、乘法指令、内存读取指令等。
操作数则是指令的操作对象，它可以是寄存器、内存地址或常数。
指令通过操作码来告诉计算机需要执行的具体操作，通过操作数来指定操作所需的数据。
二、指令格式和寻址方式指令格式是指令的组织形式，通常包括操作码、寄存器编号和操作数。
不同的计算机体系结构采用不同的指令格式，如紧凑指令格式、变长指令格式、定长指令格式等。
寻址方式决定了指令如何找到操作数所在的存储位置，常见的寻址方式包括直接寻址、立即寻址、寄存器寻址、间接寻址等。
三、指令执行过程指令的执行过程通常包括取指、分析、执行和写回四个阶段。
取指阶段从内存的指令存储区读取下一条指令，分析阶段解析指令，确定操作类型和操作数，并进行必要的地址计算。
执行阶段根据指令的操作类型执行相应的操作，并根据需要访问内存或寄存器来获取或存储数据。
最后，写回阶段将执行结果写回寄存器或内存。
四、指令系统的设计方法指令系统的设计目标是通过合理的指令集合和编码方式来满足计算机的功能需求，同时提高计算机的性能和效率。
指令系统的设计方法主要有以下几种：精简指令集（RISC）和复杂指令集（CISC）的设计方法、定制指令扩展（ISA Extension）的设计方法、向量指令扩展（SIMD）的设计方法等。
五、指令系统与计算机性能的关系指令系统的设计和优化直接影响计算机的性能。
合理的指令系统可以提高计算机的运算速度、存储器访问效率和程序流水线的利用率。
通过减少指令的数目，简化指令的格式，增加寄存器的数量等方法，可以提高指令系统的效率。
指令系统
指令系统8086指令系统综述1.背景计算机的程序是由一系列机器指令组成的。
指令就是要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，计算机的指令有微指令、机器指令和宏指令之分。
微指令是微程序级的命令，它属于硬件；宏指令是由若干条机器指令组成的软件指令，它属于软件；而机器指令则介于微指令与宏指令之间，通常简称为指令，每一条指令可完成一个独立的算术运算或逻辑运算操作。
本文所讨论的指令，是机器指令。
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。
指令是构成程序的最基本单位，是指挥处理器完成某项具体任务操作的一个或多个字节信息。
因而计算机指令集的选择是计算机体系结构设计的核心问题，是软硬件功能分配最主要的交界面，它历来是体系结构设计者、系统软件设计者和硬件设计者所共同关注的问题，现在计算机系统理论认为指令集是影响到指令流水效率的根本原因，诸如变长指令，复杂寻址等都使得流水困难。
因此采用什么指令集将极大地决定如何设计处理器的内部结构以及译码机制。
2.指令系统的发展过程回顾计算机的发展历史，指令系统的发展经历了从简单到复杂的演变过程。
早在20世纪50-60年代，计算机大多数采用分立元件的晶体管或电子管组成，其体积庞大，价格也很昂贵，因此计算机的硬件结构比较简单，所支持的指令系统也只有十几至几十条最基本的指令，而且寻址方式简单。
到60年代中期，随着集成电路的出现，计算机的功耗、体积、价格等不断下降，硬件功能不断增强，指令系统也越来越丰富。
60年代后期出现了系列计算机。
所谓系列计算机，是指基本指令系统相同、基本体系结构相同的一系列计算机。
如Pentium系列。
系列机解决了各机种的软件兼容问题，其必要条件是同一系列的各机种有共同的指令集，而且新推出的机种指令系统一定包含所有旧机种的全部指令。
在70年代，高级语言己成为大、中、小型机的主要程序设计语言，计算机应用日益普及。
由于软件的发展超过了软件设计理论的发展，复杂的软件系统设计一直没有很好的理论指导，导致软件质量无法保证，从而出现了所谓的“软件危机”。
计算机组成原理(第三版)第 4 章 指令系统汇编
内存
有效地址 EA=［D］； ［EA］＝ DATA； • 例如: ADD A,＠［3050H］ MOV A,＠［3050H］
… EA … DATA
EA
INFO DEPT@ZUFE HANGZHOU.CHINA
5、寄存器寻址方式 ( Register Addressing )
寄存器寻址：操作数存放于指令的操作码所规定的寄存 器中即操作数位于寄存器中，操作数所在的寄存器编号 存放在指令的REG字段中。 • →速度快、指令短，操作数在CPU中； • 指令格式：
内存
有效地址 EA=［PC或IP］+D； ［EA］＝DATA (指令)；
EA→
…
指令 …
D • 例如:JR SUB1-$
INFO DEPT@ZUFE HANGZHOU.CHINA
；
10、堆栈寻址 ( Stack Addressing )
• 操作数位于存储器中，操作数所在的存储器地址 EA由堆栈指针寄存器SP隐含指出，通常用于堆栈 指令。 • 堆栈是由若干个连续主存单元组成的先进后出（ first in last out，即FILO）存储区，第一个放 入堆栈的数据存放在栈底，最近放入的数据存放 在栈顶。栈底是固定不变的，而栈顶是随着数据 的入栈和出栈在时刻变化。栈顶的地址由堆栈指 针SP指明。 • 一般计算机中，堆栈从高地址向低地址扩展，即 栈底的地址总是大于或等于栈顶的地址，称为堆 栈向上生成；堆栈寻址主要用来暂存中断和子程 序调用时现场数据及返回地址。
OP* MOD REG CPU 寄存器组
R0 … Ri
有效地址 EA=REG； ［REG］＝ DATA； • 例如: EA→ ADD A, Ri ; MOV A, Ri ;
计算机组成与系统结构-指令系统
3.2寻址技术 2. 编址单位 (1)字编址
编址单位=访问单位
每个编址单位所包含的信息量（二进制位数）与读或写一 次寄存器、主存所获得的信息量是相同的。早期的大多数机器都 采用这种编址方式。
3.2寻址技术 (2)字节编址
字节编址是为了适应非数值计算的需要。字节编址方式使 编址单位与信息的基本单位（一个字节）相一致，这是它的最大 优点。然而，如果主存的访问单位也是一个字节的话，那么主存 的频带就太窄了。
移量D相加，形成操作数有效地址：
EA=(Rb)+D 基址寄存器的内容称为基址 值，指令的地址码字段是一个位 移量，位移量可正可负。
指令寄存器 OP Rb D20
主存储器
ALU
120 操作数
基1址00值 基址寄存器Rb
操作数S=((Rb)+D)
3.2寻址技术
基址寻址和变址寻址在形成有效地址时所用的算法是相同的， 而且在一些计算机中，这两种寻址方式都是由同样的硬件来实现的。
OP
立即数
在取指令时，操作码和操作数被同时取出，不必再次访问 存储器，从而提高了指令的执行速度。但是，因为操作数是指 令的一部分，不能被修改，且立即数的大小将受到指令长度的 限制。
3.2寻址技术
2.寄存器寻址
指令中地址码部分给出某一通 用寄存器的编号，所指定的寄存器 中存放着操作数。
两个明显的优点：
操作码字段的位数和位置不固定将增加指令译码和分析的 难度，使控制器的设计复杂化。
3.1指令格式
最常用的非规整型编码方式是扩展操作码法： 让操作数地址个数多的指令（如三地址指令）的操作码字
段短些，操作数地址个数少的指令（如一或零地址指令）的操作 码字段长些。
注意
第2章 指令系统
第2章
指令系统
二地址制
操作码
地址码
地址码
三地址制
操作码
地址码
地址码
地址码
一地址制
操作码
地址码
图2.5 在定长指令字内实现多种地址制
第2章
指令系统
寄存器-寄存器型
操作码
R
R
寄存器-存储器型
操作码
访存地址S
R
带直接操作数
操作码
直接操作数
R
R
图2.6 同种地址制下的多种地址形式和长度
第2章
指令系统
(4)在以上这些措施的基础上，还可以进一步考虑采 用多种指令字长度的指令。如：单字长指令、双字长 指令、三字长指令等。这比只有一种长度的定长指令 字方式更能减少信息的冗余量，缩短程序的长度。 综上所述，指令格式的优化就是指通过采用多种不
0.0 2
0
0.0 1 0.0 2 0.0 5
1
0.0 6
0
0.0 7
1
0.1 3
0.3 5
0
0.2 2 0.4 3
图2.3 利用Huffman树进行操作码编码
第2章
指令系统
9条指令对应的Huffman编码如表2.3所示。
表2.3 操作码的Huffman编码法和2-4扩展码编码法
指令
指令使用频度 pi
第2章
指令系统
2. Huffman编码 Huffman 编码法是1952年由 Huffman 首先提出的一种
编码方法，开始主要用于电报报文的编码。如 26 个英
文字母中，e、t等的使用频率最高，用短码表示；q、x 等的使用频率很低，用长码表示。这样，可以缩短整
个报文的长度，减少报文的传送时间。Huffman编码不
第四章 指令系统1
5、寄存器寻址方式 方法： 方法：指令中给出的操作数地址不是内存 单元的地址，而是通用寄存器的编号。 单元的地址，而是通用寄存器的编号。 有效地址E=Ri , S=(Ri) 有效地址
例: MOV AX, R1
特点：可以缩短指令字长，不访问内存， 特点：可以缩短指令字长，不访问内存， 所以速度快. 所以速度快
例: MOV AX, [8000H]
4、间接寻址 方法： 方法：指令地址字段中给出的不是操作数 的真正地址，而是操作数地址的指针 地址的指针， 的真正地址，而是操作数地址的指针， ＝（D） 即E＝（ ）S= ( (D) ) ＝（ 特点： 特点：间接寻址方式可以扩大寻址范 但由于两次访存， 围，但由于两次访存，影响指令执行 速度
4.4 指令和数据的寻址方式 一、寻址方式 １、寻址方式概念：当采用地址指定方式， 寻址方式概念：当采用地址指定方式， 在存储器中写入或读出操作数或指令字 形成操作数或指令地址的方式， 时，形成操作数或指令地址的方式，称 为寻址方式。
一、寻址方式
２、寻址方式分类 寻址方式分为：指令寻址方式和数据寻 指令寻址方式和数据寻 址方式，前者比较简单，后者比较复杂。 址方式，前者比较简单，后者比较复杂。 3、两个定义： 两个定义：
第四章 指令系统
本章提要： 本章提要： 指令系统概述（发展、作用）； 指令系统概述（发展、作用）； 指令格式； 指令格式； 指令类型； 指令类型； 寻址方式； 寻址方式； CISC和RISC. 和
4.1 指令系统的发展和性能要求 一、指令系统的发展 1.指令: 1.指令:就是要计算机执行某种操作的 指令 命令。 命令。 从计算机组成的层次结构来说， 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 微指令、 算机的指令有微指令、机器指令和宏指 之分。 令之分。
中职计算机原理教案：指令系统概述
现在，RISC的设计目标从原来的设法减少指令的数量和种类，变成设法降低执行每设计为字节的整指令所需的时钟周期数。近几年，许多CISC芯片制造商也在自己的产品中融进了RISC节、五字节和六字理器
④兼容性。兼容性是指一台机器上运行的软件可以不经修改地运行在另一台机器上。一般而言,同一厂家生产的系列机各机种之间具有相同的基本结构和共同的基本指令集，因而指令系统是兼容的，也就是说，各机种上的基本软件可以相互通用，但一般只能做到低档机或旧机器上的软件可不加修改便可在新机器上运行，以降低软件的开发成本。同时，新机种一出现就具有丰富的软件。
2、指令系统
一台计算机所能执行的所有指令的全体集合称为指令系统，指令系统属于计算机硬件范畴。
一个完善的指令系统应满足下面几个方面的要求：
教学环节
教学活动内容及组织过程
个案补充
教
学
内
容
完备性。指令系统的完备性是指用汇编语言编制各种程序时指令系统提供的指令足够用。这就需要指令系统丰富、功能齐全、使用方便。
3.完善的指令系统应满足、
、、几个方面的要求。
【课堂小结】
【作业布置】
板
书
设
计
第4章指令系统
4.1概述
1.指令
2.指令系统
完备性。
有效性。
③规整性。
④兼容性。
教后札记
个案补充
教
学
内
容
分为CISC(复杂指令集计算机)和RISC(精简指令集计算机)。
PLC的发展历史，及未来发展趋势
PLC的发展历史，及未来发展趋势1 引言可编程序控制器的英文为Programmable Controller，在二十世纪70-80年代一直简称为PC。
由于到90年代，个人计算机发展起来，也简称为PC;加之可编程序的概念所涵盖的范围太大，所以美国AB公司首次将可编程序控制器定名为可编程序逻辑控制器（PLC-Programmable Logic Controller），为了方便，仍简称PLC为可编程序控制器。
有人把可编程序控制器组成的系统称为PCS可编程序控制系统，强调可编程序控制器生产厂商向人们提供的已是完整的系统了。
2 PLC的发展和市场情况2.1 PLC的发展历史1968年美国GM（通用汽车）公司提出取代继电器控制装置的要求，第二年美国数字公司研制出了第一代可编程序控制器，满足了GM公司装配线的要求。
随着集成电路技术和计算机技术的发展，现在已有第五代PLC产品了。
在以改变几何形状和机械性能为特征的制造工业和以物理变化和化学变化将原料转化成产品为特征的过程工业中，除了以连续量为主的反馈控制外，特别在制造工业中存在了大量的开关量为主的开环的顺序控制，它按照逻辑条件进行顺序动作号按照时序动作;另外还有与顺序、时序无关的按照逻辑关系进行连锁保护动作的控制;以及大量的开关量、脉冲量、计时、计数器、模拟量的越限报警等状态量为主的—离散量的数据采集监视。
由于这些控制和监视的要求，所以PLC发展成了取代继电器线路和进行顺序控制为主的产品。
在多年的生产实践中，逐渐形成了PLC、DCS与IPC三足鼎立之势，还有其它的单回路智能式调节器等在市场上占一定的百分比。
在80年代至90年代中期，是PLC发展最快的时期，年增长率一直保持为30~40%。
由于PLC机联系处理模拟能力和网络方面功能的进步，挤占了一部分DCS的市场（过程控制）并逐渐垄断了污水处理等行业，但是由于工业PC（IPC）的出现，特别是近年来现场总线技术的发展，IPC和FCS也挤占了一部分PLC市场，所以近年来PLC增长速度，总的说是渐缓。
计算机系统结构的设计和发展
计算机系统结构的设计和发展是一个复杂且不断演变的领域。
随着技术的不断进步和需求的不断变化，计算机系统结构也在不断地优化和改进。
以下是一些关于计算机系统结构的设计和发展的重要方面。
1. 指令集体系结构（ISA）：指令集体系结构是计算机系统结构的重要组成部分，它定义了计算机的指令集和指令集的执行方式。
不同的指令集体系结构有不同的特点和适用场景，比如复杂指令集计算机（CISC）和精简指令集计算机（RISC）。
2. 处理器设计：处理器是计算机系统的核心部件，负责执行指令和处理数据。
处理器设计涉及到很多因素，比如指令执行顺序、并行处理、流水线技术、缓存机制等。
现代处理器通常采用多核设计，以提高处理效率和吞吐量。
3. 存储器系统：存储器系统是计算机系统中用于存储数据和指令的部件。
随着数据密集型应用的兴起，存储器系统的设计也越来越重要。
存储器系统的优化通常涉及到缓存、主存、磁盘等不同层次的存储器设计。
4. I/O技术：I/O技术是计算机系统中用于输入输出数据的部件。
随着外部设备种类的不断增加和数据传输速率的不断提高，I/O技术的设计也越来越重要。
现代计算机系统通常采用高速串行通信技术，如PCIe、USB和SATA等。
5. 并行处理：并行处理是指同时处理多个任务或多个数据项的技术。
随着多核处理器和分布式系统的发展，并行处理已经成为计算机系统的重要特征。
并行处理技术可以充分利用计算机系统的资源，提高系统的性能和效率。
6. 可靠性技术：随着计算机系统在各个领域的应用越来越广泛，系统的可靠性也越来越受到关注。
计算机系统可靠性技术包括硬件冗余、软件容错、故障检测与恢复等，这些技术可以提高系统的稳定性和可靠性，保证系统的正常运行。
总之，计算机系统结构的设计和发展是一个不断演进的领域，涉及到多个方面的技术和因素。
未来随着技术的不断进步和应用需求的不断提高，计算机系统结构的设计和发展也将面临更多的挑战和机遇。
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计算机指令系统的变化及发展[摘要]指令系统是计算机体系结构最基本的特征。
早期, 人们采用微程序设计技术让指令系统变得日趋复杂, 后来逐渐认识到这种复杂指令系统计算机(C ISC) 并不能很好的提高系统性能, 于是设计师们提出了精简指令系统计算机(R ISC) 体系结构, 并在一个芯片上实现了CPU。
随着R ISC 微处理器迅速发展, 人们又发现R ISC 指令系统并不能充分实现指令级并行处理, 从而影响了计算机性能的进一步提高, 又出现了超长指令字(VL IW ) 计算机指令系统。
[关键词] 指令系统R ISC VL IW0、引言指令系统是指机器所具有的全部指令的集合, 它反映了计算机所拥有的基本功能。
在计算机系统的设计和使用过程中, 硬件设计人员采用各种手段实现指令系统, 而软件设计人员则使用这些指令系统编制各种各样的系统软件和应用软件, 用这些软件来填补硬件的指令系统与人们习惯的使用方式之间的语义差距。
因此, 可以说, 指令系统是软件设计人员与硬件设计人员之间的一个主要分界面, 也是他们之间互相沟通的一座桥梁。
在计算机系统的设计过程中, 指令系统的设计是非常关键的, 它必须由软件设计人员与硬件设计人员来共同完成。
设计指令系统就是要选择计算机系统中的一些基本操作(包括操作系统和高级语言中的) 应由硬件实现还是由软件实现, 选择某些复杂操作是由一条专用的指令实现, 还是由一串基本指令实现, 然后具体确定指令系统的指令格式、类型、操作以及对操作数的访问方式。
1、复杂指令系统(C ISC)1. 1 C ISC 的产生早期的计算机, 存储器是一个很昂贵的资源, 因此希望指令系统能支持生成最短的程序。
此外, 还希望程序执行时所需访问的程序和数据位的总数越少越好。
在微程序出现后,将以前由一串指令所完成的功能移到了微代码中, 从而改进了代码密度。
此外, 它也避免了从主存取指令的较慢动作, 从而提高执行效率。
在微代码中实现功能的另一论点是: 这些功能能较好的支持编译程序。
如果一条高级语言的语句能被转换成一条机器语言指令, 这可使编译软件的编写变得非常容易。
此外, 在机器语言中含有类似高级语言的语句指令, 便能使机器语言与高级语言的间隙减少。
这种发展趋向导致了复杂指令系统(C ISC) 设计风格的形成, 即认为计算机性能的提高主要依靠增加指令复杂性及其功能来获取。
1. 2 C ISC 的主要特点C ISC 指令系统的主要特点是:(1) 指令系统复杂。
具体表现在以下几个方面:①指令数多, 一般大于100 条。
②寻址方式多, 一般大于4 种。
③指令格式多, 一般大于4 种。
(2) 绝大多数指令需要多个机器时钟周期方可执行完毕。
(3) 各种指令都可以访问存储器。
1. 3 C ISC 存在的问题C ISC 指令系统主要存在如下三方面的问题:(1)C ISC 中各种指令的使用频度相差很悬殊, 大量的统计数字表明, 大约有20% 的指令使用频度比较高, 占据了80% 的处理机时间。
换句话说, 有80% 的指令只在20% 的处理机运行时间内才被用到。
(2)VL S I 的集成度迅速提高, 使得生产单芯片处理机成为可能。
在单芯片处理机内, 希望采用规整的硬布线控制逻辑, 不希望用微程序。
而在C ISC 处理机中, 大量使用微程序技术以实现复杂的指令系统, 给VL S I 工艺造成很大困难。
(3) 虽然复杂指令简化了目标程序, 缩小了高级语言与机器指令之间的语义差距, 然而增加了硬件的复杂程度, 会使指令的执行周期大大加大, 从而有可能使整个程序的执行时间反而增加。
2、精简指令系统(R ISC)2. 1 R ISC 的产生由于C ISC 技术在发展中出现了问题, 计算机系统结构设计的先驱者们尝试从另一条途径来支持高级语言及适应VL S I 技术特点。
1975 年IBM 公司John Cocke 提出了精简指令系统的设想。
到了1979 年, 美国加州大学伯克莱分校由Pat terson 教授领导的研究组, 首先提出了R ISC 这一术语, 并先后研制了R ISC-É 和R ISC- Ê 计算机。
1981 年美国的斯坦福大学在Hennessy教授领导下的研究小组研制了M IPS R ISC 计算机, 强调高效的流水和采用编译方法进行流水调度, 使得R ISC 技术设计风格得到很大补充和发展。
2. 2 R ISC 的主要特点90 年代初, IEEE 的M ichael Slater 对于R ISC 的定义作了如下描述:R ISC 处理器所设计的指令系统应使流水线处理能高效率执行, 并使优化编译器能生成优化代码。
R ISC 为使流水线高效率执行, 应具有下述特征: [2 ](1) 简单而统一格式的指令译码;(2) 大部分指令可以单周期执行完成;(3) 只有LOAD 和STORE 指令可以访问存储器;(4) 简单的寻址方式;(5) 采用延迟转移技术;(6) 采用LOAD 延迟技术。
R ISC 为使优化编译器便于生成优化代码, 应具有下述特征:(1) 三地址指令格式;(2) 较多的寄存器;(3) 对称的指令格式。
2. 3 R ISC 的关键技术(1) 延时转移技术在转移指令之后插入了一条有效的指令, 而转移指令好像被延迟执行了, 因此, 把这种技术称为延迟转移技术。
采用指令延迟转移技术时, 指令系列的调整由编译器自动进行, 一般不需要人来干预。
(2) 指令取消技术采用指令延时技术, 遇到条件转移指令时, 调整指令系列非常困难, 在许多情况下找不到可以用来调整的指令。
有些R ISC处理机采用指令取消技术, 在使用指令取消技术的处理机中, 所有转移指令和数据变换指令都可以决定下面待执行的指令是否应该取消。
如果指令被取消, 其效果相当于执行了一条空操作指令, 不影响程序的运行环境。
(3) 重叠寄存器窗口技术基本思想是在处理机中设置一个数量比较大的寄存器堆,并把它划分成很多窗口。
每个过程使用其中相邻的三个窗口和一个公共的窗口, 而在这些窗口中有一个窗口是与前一个过程共用, 还有一个窗口是与下一个过程共用的。
与前一过程共用的窗口可以用来存放前一过程传送给本过程的参数, 同时也存放本过程传送给前一过程的计算结果。
同样, 与下一过程共用的窗口可以用来存放本过程传送给下一过程的参数和存放下一过程传送给本过程的计算结果。
(4) 指令流调整技术为了使R ISC 处理机中的指令流水线高效率的工作, 尽量不断流, 优化编译器必须分析程序的数据流和控制流。
当发现指令流有断流可能时, 要调整指令列对有些可以通过变量重新命名来消除的数据相关, 要尽量消除。
这样, 可以提高流水线的执行效率, 缩短程序的执行时间。
(5) 硬件为主固件为辅指令系统用微程序实现的主要优点是: 便于实现复杂指令,便于修改指令系统, 增加了机器的灵活性和适应性。
主要缺点是: 执行速度低。
R ISC 要求主要指令能在单周期内执行完成, 采用微程序技术是不可能做到的。
因此, R ISC 必须主要采用硬连逻辑来实现指令系统。
对于那些必须的复杂指令, 也可用固件(微程序技术) 实现。
因此, 目前商用的R ISC 处理机在实现指令系统时, 一般都采用以硬件为主固件为辅的方法。
2. 4 R ISC 存在的主要问题R ISC 的主要问题是编译后生成的目标代码较长, 占用了较多的存储器空间。
但由于半导体集成技术的发展, 使得RAM 芯片集成度不断提高和成本不断下降, 目标代码较长已不成为主要问题。
R ISC 技术存在另一个潜在缺点是对编译器要求较高,除了常规优化方法外, 还要进行指令顺序调度, 甚至能替代通常流水线中所需的硬件联锁功能。
3、超长指令字(VL IW )3. 1 VL IW 的产生80 年代后期以来, R ISC 微处理器迅速发展, 广泛采用了超标量和超流水线等指令级并行处理技术。
但是人们又发现早期的R ISC 指令系统并不能充分实现指令级并行处理, 从而影响了计算机性能的进一步提高。
1983 年美国教授J. F isher 受水平微代码思想的启示, 提出了VL IW (超长指令字) 体系结构。
VL IW指令系统的设计思想与水平微码类似。
VL IW 机器具有较长的机器指令字, 机器指令字具有固定的格式(一种或者多种) , 每条指令字中包含着多个独立的字段, 字段中的操作码被送往不同的功能部件。
3. 2 VL IW 的主要特点(1) 具有较长的机器指令字, 一般为128 位甚至上千位。
机器指令字具有固定的格式, 并且被划分成多个控制字段, 每个字段可以直接独立的控制相应的功能部件。
一条指令字可以填入多个独立的并行操作, 为了与通常的机器区别, 我们称这种操作为算子, 把按照机器指令字格式将算子组成超长指令字的过程称为拼装。
超长指令字中的多个可并行执行的算子的调度和拼装是由编译器来完成的。
(2) 含有大量的数据通路和多个可以并行的运算部件, 由于数据相关和资源相关性是通过编译器来进行处理, 因此硬件本身具有较简单的控制逻辑。
(3) 控制部件每个周期启动一条机器指令, 但同时发射其中的一条或多条算子。
其并发操作主要是在流水的执行阶段进行的。
(4) 用大量的全局共享寄存器, 存储单元, 寄存器堆来连接多个功能部件。
VL IW 的指令系统, 包括指令字长、指令格式、指令字段定义及指令操作等, 都与处理器的结构紧密相关。
而指令格式的设计总是在当前体系结构基础上, 尽量减少指令字冗余信息, 同时最大限度的提供指令并行度。
3. 3 VL IW 存在的主要问题VL IW 的主要问题是编译后生成的目标代码长, 占用了更多的存储器空间; 对编译器要求更高。
4、总结总之, 计算机指令系统的发展经历了从简单到复杂, 然后又从复杂到简单的演变过程, 好像一个钟摆, 从一个方向摆向另一个方向, 接着又向回摆。
参考文献[ 1 ]郑纬名, 汤志忠. 计算机系统结构(第二版) [M ]. 北京:清华大学出版社, 2004. [ 2 ]陆鑫达. 计算机系统结构[M ]. 北京: 高等教育出版社,2005.[ 3 ]傅麒麟, 徐勇. 现代计算机体系结构教程[M ]. 北京: 北京希望电子出版社, 2002.。