第四章_指令系统

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 。
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
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② 双操作数运算：隐含一个操作数，如Acc
(Acc) OP (A1) Acc/A1
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4.1.2
指令系统性能的要求
指令系统的性能决定了计算机的基本功能，它的设计直接关系 到计算机的硬件结构和用户的需要。
一个完善的指令系统应满足如下四方面的要求
完备性
常用指令齐全，编程方便；
有效性
程序占用内存少，运行速度快；
规整性
指令和数据的使用规则统一，易学易记；
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。
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。
因此，零地址码指令最多有 [（28－K）×212 －L] ×212条。
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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； 指令字长由操作码长度、操作数长度和个数共同决定。
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两地址指令的分类
存储器-存储器（SS）型指令
OP
根据操作数的物 理位置分。
A1 A2
A1、A2均为存储单元；
这类指令的执行需要多次访存。
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。
A2 A1
A1 0000 1111 0000 0000
A3 A2
12条二地址指令 A2 A1 32条一地址指令 A1 0000 16条零地址指令 1111
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8 位操作码
12 位操作码
16 位操作码
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？
15 OP 10 9 8 7 源寄存器 4 3 变址寄存器 0 ——
位移量（16位）
双字长 ，操作数的数目为____ 两 个。 双字长二 ① 指令字长为_________ 地址指令 ② 操作码字段OP为____ 6 位，可以指定_____ 64 种操作。
16 个，另一个操作 ③ 一个操作数在源寄存器，该类寄存器共____ 存储器 中，所以该类指令是____ 数在________ RS 型指令。
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
4
4.1.1 指令系统的发展
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；
指令有半字长、单字长、双字长、多字长等不同的长度类型；
指令系统可分为等长指令字结构、变长指令字结构两种。
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4.2.4 指令助记符
指令助记符
使用3~4个英文缩写字母来表示的指令操作码。
在不同的计算机中，指令助记符的规定是不一样的；
指令助记符只是指令操作码字段的一种表示方法；
机器内部保存的还是二进制代码形式的机器指令；
...... 1110 A1 A2 A2 A3 A3
15条三地址指令
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
12 位操作码
12条，单地址指令 条以及零地址指 1111 1111 0000 31 A1
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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
指令长度和数据长度有一定的关系，以方便处理和 存取；
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4.1.3 低级语言与硬件结构的关系
操作码长度为32位 操作码的可扩展位为32－20＝12位。
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【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： 可用于扩展零地址码指令的编码有[ (28－K)×212－L]个；
由汇编或编译程序，将助记符翻译成机器代码。
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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 OP 9 8 —— 7 源寄存器 4 3 目的寄存器 0
单字长 ，操作数的数目为____ 两 个。 单字长二 ① 指令字长为_________ 地址指令
如Pentium系列PC机。
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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；
...... 令16 条的指令系统？ 1111 1111 1110 A1
15条一地址指令
1111 1111 1111 16 位操作码 ...... 1111 1111 1111
0000
16条零地址指令
1111
此指令系统共具有61条指令
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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 A3 15条三地址指令
复杂指令系统计算机(CISC)、精简指令系统计算机(RISC)
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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；
OP A1 A2 A3
① 若全是三地址指令，则最多能有多少条指令？ 操作码为4位的，则指令条数为24=16。
② 若三地址指令需15条 ─┐
两地址指令需15条 单地址指令需15条 │ 应如何安排？ │
零地址指令需16条 ─┘
可使用操作码扩展技术，缩短固定操作码长度；
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操作码扩展举例（2/3）
4 位操作码 0000 A1
寄存器-存储器（RS）型指令
A1、A2中一个为寄存器，一个为存储单元；
执行此类指令时，既要访问内存单元，又要访问寄存器。
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指令的操作码扩展技术（补充）
一个指令系统中 若操作码长度固定 且指令格式不同； 指令格式如右：
OP OP OP OP A1 A1 A1 A2 A2 A3
无用 无用 无用
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；
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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；
固定长度的操作码
特征：所有指令长度均相同。
优点：控制简单，速度快，适用于指令条数不多的场合。
可变长度的操作码
特征：频繁使用的指令用位数较少的操作码；
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。
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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；
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。
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操作码扩展举例（1/3）
设某指令长16位，包括4位基本操作码字段和3个4位地址码 字段。