第四章--指令系统(new)

• 有效地址(E):对形式地址进行一定计算而得到的 操作数的实际地址.
1.立即寻址(immediate addressing):所需的操作数 在指令中直接给出,即操作数包含在指令内，称为 立即数。 优点：取指令的同时操作数、操作码同时取出， 不必再次访问存储器，指令的执行速度快。 缺点：由于指令字的长度有限，限制了立即数 所能表示的数据范围，不能修改，适宜操作数固定 不变的场合。灵活性最差。一般情况下用于给某一 个寄存器或存储单元赋予一个初值或提供一个常数。 例如：Intel8086 中的立即寻址指令。
4.3 寻址方式
寻址方式:指令中如何提供操作数或操作数地址及指令地 址的方法。分为指令寻址方式和操作数寻址方式。
4.3.1 指令的寻址方式：确定本条指令地址及下条要执行指令地址的方法
1.顺序寻址方式 +1 PC 2.跳跃寻址方式 PC
地址
0 1 2
内存
LDA 200 ADD 201
INC
内存 地址 3 JMP 6 4 LDA 206 5 SUB 207 6 INC 7 LDA 20相加存入 累加器AX中
2.直接寻址(Memory direct addressing):指令的地址 码部分给出操作数的地址。 主存 直接寻址的逻辑表达式为: EA=A
… OP … A A 操作数 …
特点:只需一次访问内存,就能取到 操作数
特点: 简单、直观、硬件实现容易。只能访问固定的存储单元。 例: INTEL8086/8088指令：MOV AX,[1000H]的寻址方式为？
(1)三地址指令
操作码 A１
源操作数1
A２
源操作数2
A3
目的操作数
A1、A2、A3既可是存储单元地址，也可寄存器地址。
例如： ADD X,Y,Z 将x+y的结果存放在Z中。
指令功能: (A1) OP (A2) A3 下一条指令的地址由PC提供
(2)二地址指令
操作码 A１
目的操作数
A２
源操作数
指令功能: (A1) OP (A2) A1 下一条指令的地址由PC提供 例如：ADD X,Y 将X+Y的结果存放在A1中。
第四章 指令系统
指令(instruction): 计算机硬件能识别和执行 的操作命令(如加、减、传送、转移等),即机 器指令(Machine Instruction)。每条指令都明 确规定了计算机必须完成的一套操作。 指令系统:一台计算机或计算机系统能执行 的各种指令的集合。
指令系统既是计算机硬件设计的主要依据，又是计算机软 件设计的基础，所以，一台计算机指令系统的优劣直接影 响着计算机系统的性能。指令系统越丰富，处理功能越强。
(2)为缩小机器语言与高级语言的语义差异，便于操作 系统的优化和减轻编译程序的负担，采用了让机器指令 语义和功能向高级语言的语句靠拢，用一条功能更强的 指令代替一段程序的方法，使得指令本身功能不断增强， 指令系统规模不断加大。
3、70年代末期—随着LSI和VLSI的出现,计算机结构 愈加复杂,计算机指令系统多达几百条指令,称之为复 杂指令集计算机,简称CISC.
8
7
LDA 200
按顺序执行指令，用PC记录顺序号，顺序 号即指令在内存中的地址。
不按顺序执行指令，下条指令由本条给出，跳 转后按新的顺序执行，PC也作相应改变、跟踪 新的指令地址。条件转移或无条件转移。
4.3.2 操作数寻址方式(Addressing modes)
操作数寻址的目的：CPU根据指令约定的寻址 方式对地址字段的有关信息做出解释，以找到操 作数。 • 形式地址(D):也称偏移量,是指令地址字段中 给定的地址.
4.1 指令系统的发展与性能要求
一、指令系统的发展
1、50年代—计算机技术水平较低，使用的元件体 积大、功耗高、价格高，故硬件结构简单,指令系统 的功能也相对简单，其中只有加减及逻辑运算、数 据传送、转移等十几至几十条指令,寻址方式简单;
2、60年代后期--由于集成电路(IC) 出现,硬件结构越 加复杂，对指令系统功能的要求也越来越高，增设了 乘除运算、浮点运算、十进制运算、字符串处理等指 令,指令数目达一二百条,寻址方式趋于多样化,引入了 各种数据类型，指令系统不断扩大;
引入系列机的概念:基本指令相同、基本体系结构相同的 一系列计算机,如IBM 370系列、VAX-11系列、IBM PC 系列等。
(1)为软件兼容的需要，使已经开发的软件能够被继承， 在同一系统的计算机中，新开发机型的指令系统需要包 含先前开发的机器的所有指令和寻址方式。这样，导致 计算机指令系统越来越庞大，某些机器的指令系统包含 几百种指令，如DEC公司的VAX-11/780有18种寻址方式， 9种数据格式，303种指令。
(3)一地址指令
操作码 A
源操作数
指令功能: (AC) OP (A) AC 另一个操作数（目的操作数）隐含在累加器 AC中，操作结果存放在累加器中。
(4)零地址指令
操作码
指令中只有操作码，没有地址码，分两种：
1、不需要操作数的控制类指令，如空操作指令、停机指令。 2、隐含操作数的指令，如堆栈结构计算机运算指令等。
具体做法:在指令中有一个固定长度的字段表示 基本操作码，而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，也称 扩展操作码技术。
例1:设某机器的指令字长为16位,包括基本操作码4 位和三个地址字段,每个地址字段长4位,其格式为: 15 12 11 8 7 4 3 0 OP A1 A2 A3
5.指令系统的性能要求:
(1) 完备性:指令系统提供的指令足够使用。指令系统丰富、 功能齐全、使用方便。 (2) 有效性:该指令系统编制的程序高效地运行。程序占空 间小，执行速度快。 (3) 规整性:包括指令的对称性、匀齐性、指令格式和数据格 式的一致性。
对称性指在指令系统中所有的数据存储单元(如寄存器、主存单元等) 被同等对待，所有的指令都可以使用各种寻址方式； 匀齐性指同一操作性质的指令可以支持各种数据结构，无须考虑数据 类型； 指令格式和数据格式的一致性指指令长度与数据长度有一定关系(指 令长度一般取字节的整数倍)，以便于存取和处理。
例: 某机主存容量为 16MB,若按字节编址,其地址码为多少位? 解:16MB=224B ,所以地址码为24位.
3.寄存器寻址(Register direct addressing):指令的地 址码部分给出通用寄存器的地址，操作数就在的寄 存器中。 寄存器 EA= R
… OP … R R 操作数 …
例如:IBM 370的指令长度有16位(半字)、32位(单字)及 48位(一个半字).
2.指令格式分类
源操作数地址：指明源操作数存放处，不同指令所需源操作 数可能不同。 操作结果数地址：存放运算结果。 设计指令的地址码格式时需解决： • 一条指令中指明几个地址(与指令所涉及的操作数个数有 关 )； • 如何给出地址(显地址--地址信息明显地给出；隐地址--地址 信息依据某种事先约定, 用隐含的方式给出)。 • 地址码应选多长(与存储单元容量、编址单位大小和寻址方 式有关)。
(1)CISC特点：
• 指令系统复杂庞大，指令数目一般多达200-300条； • 寻址方式多； • 指令格式多； • 指令字长不固定； • 各种指令使用频率、执行时间相差很大； • 大多数采用微程序控制器
4.精简指令集计算机
（1）提出：20世纪70年代在美国加州大学伯克利分 校的RISC I、RISC II、斯坦福大学的MIPS机基础上诞 生了RISC。 (2)RISC目的： 希望用20%左右的简单指令来组合实现不常用的 80%指令的功能。不是简单地将指令系统简化,而 是通过简化指令系统,使计算机的结构更加简单合 理,从而提高处理速度。 (3) RISC特点：
特点:指令简单、存取速度快；缩短指令长度， 节省存储空间，提高指令执行速度。
4.间接寻址(Indirect addressing):地址码不是 操作数的地址，而是另一个地址的地址时， 称为间接寻址方式。 （1）存储器间接寻址:指令中给出存放操作数 地址的存储单元的地址，助记符为@。存放 操作数地址的存储单元称为间址单元，也叫 地址指针。EA=( D ) 主存
特点：简单规整，由于定长的操作码在指令字中所占的位数、位臵 固定，所以指令译码简单，有利于简化硬件设计。
(2) 扩展操作码：操作码长度可变,不同指令的操作码长度 不完全相同，操作码位数不固定，分散地位于指令字的不 同位臵上。 特点：可以在指令字长有限的前提下仍保持较丰富的指 令种类.但由于操作码的位数不固定且位臵分散，故增加了 指令译码与分析的难度，使硬件设计复杂化。
3.操作码格式
指令系统中的每一条指令都有一个唯一确定的操作 码，不同指令有不同的操作码。
若指令系统中有m位操作码，即指令系统中可包含 2m条指令。常见两种操作码编码方式：定长和扩展 操作码。
(1) 定长操作码:所有指令的操作码长度一致，均为n位操作码, 集中位 于指令字的固定字段中，最多能2n条指令。


CPU中通用寄存器数量较多以减少访存，一般至少32个； 为提高指令执行速度，以硬布线控制为主，不用或少用 微指令码控制； 除LOAD/STORE指令外，其他指令都以流水方式工作， 从而可在一个机器周期内完成。采用流水方式之后，下 一条指令不必等到上一条指令执行完毕才开始执行，而 是可以提前执行。 重视编译优化工作，高效地支持高级语言实现，生成优 化的机器指令代码。


简化的指令系统。具体表现为选取使用频率最高的一些简 单指令，以及很有用但不复杂的指令组成指令系统；指令 长度固定，指令格式种类少(2-3种)，寻址方式种类少(2-3 种 )； 以寄存器-寄存器方式工作。只有取数/存数(LOAD/STORE) 指令访问存储器，其余指令的操作都在寄存器之间进行；
(3) RISC特点：