计算机组成原理 指令系统

指令系统的设计
• 指令系统是从程序设计者看到的机器的主 要属性，是软、硬件的主要界面 • 指令系统的设计主要包括指令的功能（操 作类型、具体操作内容）和指令格式的设 计.
内 容
• 指令系统设计的基本原则
• 指令操作码的优化 • 指令字格式的优化
指令设计的步骤
• 根据应用，初拟出指令的分类和具体的指令； • 试编出用该指令系统设计的各种高级语言的编译 程序； • 对各种算法白那些大量测试程序进行模拟测试， 看指令系统的操作码和寻址方式效能是否都比较 高； • 将程序中高频出现的指令串复合改成一条强攻能 新指令，即改用硬件方式实现；而将频度很低的 指令的操作改成基本的指令组成的指令串来完成 ，即用软件方式实现；
单字长指令：指令字长=机器字长 半字长指令：指令字长=1/2机器字长 双字长指令：指令字长=2倍机器字长
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§指令格式的设计
一条指令由操作码和操作数地址码两部分组成。 指令格式与机器字长，存贮器容量及指令功能都有很 大关系 • 从便于程序设计，增加基本操作的并行性，提高 指令功能的角度看，指令中所包含的信息越多越 好，但这将导改指令所占存贮空间的浪费，增加 访存决数，从而影响速度。因此，如何合理地、 设计指令格式，使指令既能给出足够的信息，又 便于节省存贮空间，从而提高机器性能，是指令 格式设计中的一个重要的问题。
RISC：简单指令系统计算机（Reduced Instruction Set Computer)
• 只保留功能简单的指令 • 功能较复杂的指令用子程序来实现
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指令系统的分类
不同的计算机，其用途不同，系统结构不同，采用的硬软件
技术不同，其指令系统的功能也不同，有的强大，有的弱 小，但其指令不外乎以下几类： 1. 算逻运算类 2. 数据传送类
7.3 指令格式
指令格式：由操作码和地址码两部分组成。 • 操作码：指明本条指令的操作功能。如算术运算、 逻辑运算、存数、取数、转移等。每条指令分配
一个确定的操作码。
• 操作数地址码：指出该条指令涉及的操作数的地
址。
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4.3 指令格式
指令字长：一个指令字中包含二进制的位数
机器字长：指计算机能直接处理的二进制数据的位数，它决定 了计算机的运算精度。 • 机器字长通常与主存单元的位数一致
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§7.1 指令系统概述
指令系统：一台计算机中所有机器指令的集合。 -----表征一台计算机性能的重要因素，其格式
与功能不仅直接影响到机器的硬件结构，也直 接影响到系统软件，影响到机器的适用范围。 系列计算机:指基本指令系统相同、基本体系结构
相同的一系列计算机
RISC 与CISC
CISC：复杂指令系统计算机（Complex Instruction Set Computer) • 增强指令功能，设置功能复杂的指令 • 面向目标代码，面向高级语言、面向操作系统 • 用一条指令代替一串指令
指令类型
• 非特权型：主要供应应用程序员使用，也可供系 统程序员使用，包括算术逻辑运算、数据传送、 浮点运算、字符串、十进制运算、控制转移及系 统控制等； • 特权型：系统程序员使用，用户无权使用，有启 动I/O（多用户环境下）、停机等待、存储管理保 护、控制系统状态、诊断等；
指令系统的设计
• 设计的原则：如何支持编译系统能高效、简易地 将源程序翻译成目标代码。 – 规整性 – 对称性 – 独立性和全能性 – 正交性 – 可组合性 – 可扩充性
系统设计人员希望
• 指令码密度适中 – 高密度指令：强功能符合指令 – 优点：减少程序长度、访存次数、Cache、虚 存访问调度次数、程序运行时间； – 缺点：指令系统复杂，硬件实现困难； • 兼容性 • 适应性
指令系统的设计包含的内容
• • • • 指令的类型 操作功能 指令的格式 操作数的访问方式---寻址方式
3. 指令控制类
4. I/O类 5. 其它：停机
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指令系统的发展
一、对指令系统的基本要求
1. 完备性 系统中能提供足够的指令用于编程 如：加、减、乘、除都有，若只有加法、移位指令，乘 法：只能用用加法、移位实现，速度慢 2. 有效性 采用该指令系统编的程序能高效地运行：速度快、占内 存少。 即：指令格式要短，多用寄存器寻址，少访内
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指令系统的发展
系列机：基本指令系统相同，基本结构相同的一系列计算机。 VAX--11，PDP--11，IBM-PC,DJS--130, 长城0520等。 说明：一个系列有多种型号，各型号的结构基本相同，由于推 出的时间不同，所采用的器件不同，故结构、性能有差异， 但系列机必须做到一点：软件兼容（向上） 要求： ⑴各机种有相同的指令集。 ⑵新机种的指令系统一定包含所有旧机种的所有指令系统， 以保证在旧机种上运行的各种软件，可以不加修改地在所 机种上运行
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指令系统的发展
二、从CISC到RISC
CISC思想： • 机器功能强，指令条数多，指令系统庞大，研制周期长， 系统效率低。 RISC思想： • 指令系统尽可能简单，尽是减少指令的执行时间以提高 效率（多用寄存器指令，少用访内指令，指令格式一致， 寻址方式简单）
低级语言与硬件结构的关系
机器语言：0、1代码，机器可直接识别； 汇编语言：符号化、需汇编程序翻译； 高级语言：B、F、C、P…需翻译（编译或解释） 机器语言是以机器指令的形式书写的语言，其它类型 的语言，只有变成机器指令的形式，机器才能直接 执行。 高级语言与计算机的硬件结构及指令系统无关，汇编 语言依赖于计算机的硬件结构和指令系统。不同的 机器有不同的指令，所以用汇编语言编写的程序不 能在其他类型的机器上运行。
•指令主要由两部分组成：操作码和地址码
•操作码主要包括两部分内容：
– 操作种类：
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指令系统的发展
3、规整性 指令对称：寄存器，内存单元被同待，用多种寻址方式 均匀整齐：指令支特各种数据格式：8、16、32、64等 与数据格式一致：指令字长与数据字长有一定关系(字节的倍 数) 4、兼容性 向上兼容——系列机 新机种要包含旧机种的所有指令系统，低档机上的软件可 以到高档机上运行，但反之不行。