计算机组成原理 指令系统

.
目录
关于地址码个数的有关说明
(1)零地址指令
操作码
两种情况： 一是该指令不需要操作数，如NOP指令 二是操作数隐含，如DAA操作数隐含于累加器AC中
(2)一地址指令(单操作数指令) 操作码
Ａ1
也有两种情况： 一是指令本身只需要一个操作数，如NOT指令 二是被操作数和结果隐含于累加器AC中 AC ← (AC) OP (A)
低级语言
有 较多 需要 不独立 难 较长 短 少
.
4.2 指令格式
指令字(简称指令)——表示一条指令的机器字 指令格式——指令字用二进制代码表示的结构形式
操作码字段OP 地址码字段A
4.2.1 操作码
——表征指令的操作特性与功能 位数取决于指令系统的规模，分固定位数和可变位数
4.2.2 地址码
——参与操作的操作数的地址或操作数本身 三地址指令格式、二地址格式、一地址格式和零地址格式
系列计算机——基本指令系统、体系结构相同的一系列计算机 系列计算机必要条件——同一系列的各机种有共同的指令集； 且实现“向上兼容”
.
CISC和RISC CISC——复杂指令系统计算机，多达几百条
研制周期长，不易调试维护，且造成硬件资源浪费
RISC——精简指令系统计算机 从CISC转变到RISC的原因
多字长指令的优点、缺点
.
4.2.4 指令助记符
典型的指令助记符
典型指令 指令助记符 二进制操作码
加法
ADD
001
减法
SUB
源自文库
010
传送
MOV
011
跳转
JMP
100
转子
JSR
101
存数
STO
110
取数
LAD
111
不同的计算机中，指令助记符的规定不同 指令助记符借助汇编程序可自动转换成相应的二进制码
.
4.2.5 指令格式举例
R型指令——所有算术运算，数据必须放在通用寄存器中
6位 5位 5位 5位 5位 6位
op rs
rt
rd shamt funct R型
I型(立即数)指令——访问存储器(存数或取数)
6位 5位 5位
16位
op
rs
rt 常数或地址(address) I型
MIPS指令的字段值
从计算机层次结构的观点看，指令可分三类：
(1) 微指令：微程序级的命令，属于硬件 (2)宏指令：由若干机器指令和伪指令构成的软件指令 (3) 机器指令(指令)：介于微指令与宏指令之间，每条指令可完成 一个独立的算术运算或逻辑运算
3. 指令系统：一台计算机中所有机器指令的集合
.
目录
4. 指令系统的发展 50年代——只有定点加减、逻辑运算、数据传送、转移等十
.
高级语言与低级语言的比较
比较内容 1 对程序员的训练要求：
(1) 通用算法 (2) 语言规则 (3) 硬件知识 2 对机器独立的程度 3 编制程序的难易程度 4 编制程序所需时间 5 程序执行时间 6 编译过程中对计算机资源 (时间和存储容量)的要求
高级语言
有 较少 不需要 独立 易 短 较长 多
计算机组成原理
武汉科技大学 计算机科学与技术学院
.
第四章 指令系统
本章内容
4.1 指令系统的发展和性能要求 4.2 指令格式 4.3 操作数类型 4.4 指令和数据的寻址方式 4.5 典型指令 4.6 ARM汇编语言
.
4.1 指令系统的发展与性能要求
4.1.1 指令系统的发展
1. 程序：解决某一实际问题的指令序列 2. 指令：要计算机执行某种操作的命令
1. 八位微型计算机(字长8位)的指令格式
——可变字长形式：单字长、双字长、三字长指令
操作码 操作码 Ａ1 操作码 Ａ1
单字长指令 双字长指令 Ａ2 三字长指令
内存按字节编址，每执行一条指令后，指令地址的修正 ——加1、加2、加3
.
2. MIPS R4000指令格式——RISC
返回到 举例
字长32位，字节寻址，通用寄存器32个
.
4.2.3 指令字长度
机器字长：计算机能直接处理的二进制数的位数 指令字长度：指令字包含二进制代码的位数，等长、变长两种 等长指令字结构：结构简单，且指令字长度不变 变长指令字结构：结构灵活，但控制较复杂
设L为指令字长度，N为机器字长度 L=N——单字长指令 L=0.5N——半字长指令 L=2N——双字长指令
几至几十条指令 60年代后期——增加了乘除运算、浮点运算、十进制运算、
字符串处理等，指令多达一二百条，寻址方式也趋多样化 60年代后期——开始出现系列计算机 70年代末期——CISC(Complex Instruction Set Computer)
RISC(Reduced Instruction Set Computer)
(A)表示地址为A的内存或通用寄存器中的数
.
关于地址码个数的有关说明(续)
(3)二地址指令(双操作数指令)
操作码 Ａ1 Ａ2 A1← (A1) OP (A2) 按操作数的物理位置不同又分为：SS型、RR型、RS型指令
(4)三地址指令
操作码 Ａ1 Ａ2 Ａ3 A3← (A1) OP (A2)
A1——被操作数地址，也称源操作数地址 A2——操作数地址，也称终点操作数地址 A3——存放结果的地址 A1，A2，A3可为内存单元或通用寄存器的地址
高级语言与低级语言的性能比较：
高级语言的语句和用法与具体机器的指令系统无关 低级语言和具体机器的指令系统密切相关
机器语言是机器能直接识别和执行的惟一语言 汇编语言与硬件关系密切，编写的程序紧凑、占内存小、速 度快，适合编写经常与硬件打交道的系统软件 高级语言不涉及机器的硬件结构，通用性强、编写程序容易， 适合编写与硬件没有直接关系的应用软件
对称性：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：一种操作指令可支持各种数据类型 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关 系，方便处理和存取 4. 兼容性 “向上兼容”
.
4.1.3 低级语言与硬件结构的关系
低级语言分机器语言(二进制)和汇编语言(符号)
指令系统百分比的20：80规律 降低控制器设计难度
.
4.1.2 指令系统的性能要求
一个完善的指令系统应满足的条件：
1. 完备性 指令丰富、功能齐全、使用方便——用汇编语言编各 种程序时，直接提供的指令足够用
2. 有效性 程序占存储空间小、执行速度快 3. 规整性 对称性、匀齐性、指令格式和数据格式的一致性