計(jì)算機(jī)組成原理-第11講(第4章)

1、Shenyang Institute of Aeronautical Engineering0第四章 指令系統(tǒng)4.1 指令的發(fā)展與性能要求指令的發(fā)展與性能要求4.2 指令格式指令格式4.3 指令碼的擴(kuò)展指令碼的擴(kuò)展4.4 指令和數(shù)據(jù)的尋址方式指令和數(shù)據(jù)的尋址方式4.5 RISC與與CISCShenyang Institute of Aeronautical Engineering1 硬件計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 軟件 硬件：由中央處理機(jī)、存儲(chǔ)器以及外部設(shè)備等組成的實(shí)際裝置。軟件：為便于用戶使用計(jì)算機(jī)而編寫的各種程序，最終轉(zhuǎn)換成 一系列機(jī)器指令后在計(jì)算機(jī)上執(zhí)行。指令系統(tǒng)決定了計(jì)算機(jī)的基本功能。 4.1指令的發(fā)

2、展與性能要求Shenyang Institute of Aeronautical Engineering2計(jì)算機(jī)程序一系列一系列 指令指令 的有序集合。的有序集合。指令是計(jì)算機(jī)執(zhí)行某種操作的命令。指令是計(jì)算機(jī)執(zhí)行某種操作的命令。 指 令微指令宏指令機(jī)器指令微程序級(jí)的命令，屬硬件范疇。微程序級(jí)的命令，屬硬件范疇。由若干機(jī)器指令組成的軟件指令，屬軟件。由若干機(jī)器指令組成的軟件指令，屬軟件。介于微指令與宏指令之間，一條機(jī)器指令介于微指令與宏指令之間，一條機(jī)器指令可完成一個(gè)獨(dú)立的算術(shù)運(yùn)算或邏輯運(yùn)算操作可完成一個(gè)獨(dú)立的算術(shù)運(yùn)算或邏輯運(yùn)算操作指令系統(tǒng) 一臺(tái)計(jì)算機(jī)中所有機(jī)器指令的集合，稱為一臺(tái)計(jì)算機(jī)中所有機(jī)

3、器指令的集合，稱為這臺(tái)計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)。這臺(tái)計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)。指令指令指令系統(tǒng)的概念Shenyang Institute of Aeronautical Engineering3完善的計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)應(yīng)具備：完備性：完備性：至少包含最基本的、必不可少的指令。至少包含最基本的、必不可少的指令。有效性：有效性：利用該指令系統(tǒng)所提供的指令編制的程序能夠產(chǎn)生利用該指令系統(tǒng)所提供的指令編制的程序能夠產(chǎn)生 高效率。占用存儲(chǔ)空間小、執(zhí)行速度快高效率。占用存儲(chǔ)空間小、執(zhí)行速度快兼容性：兼容性：兼容性一般是指計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本相同，兼容性一般是指計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本相同， 機(jī)器之間具有相同的基本結(jié)構(gòu)、

4、數(shù)據(jù)表示和共同的基機(jī)器之間具有相同的基本結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)表示和共同的基 本指令集合。本指令集合。指令系統(tǒng)的性能要求Shenyang Institute of Aeronautical Engineering44.2指令格式操作碼操作數(shù)地址操作結(jié)果的存儲(chǔ)地址下一條指令的地址執(zhí)行程序 執(zhí)行指令輸入數(shù)據(jù)執(zhí)行的操作輸出結(jié)果數(shù)據(jù)的來(lái)源執(zhí)行的操作結(jié)果的去向一條指令包含的內(nèi)容Shenyang Institute of Aeronautical Engineering5操作碼：操作碼：指明本條指令所要完成的操作。指明本條指令所要完成的操作。每條指令被分配一個(gè)確切的操作碼（唯一性每條指令被分配一個(gè)確切的操作碼（唯一性

5、)。必須具備的條件：必須具備的條件： 每條指令都要求它的操作碼必須是獨(dú)一無(wú)二的每條指令都要求它的操作碼必須是獨(dú)一無(wú)二的 指令系統(tǒng)中指令的個(gè)數(shù)指令系統(tǒng)中指令的個(gè)數(shù)N與操作碼與操作碼的位數(shù)的位數(shù)n， 必須滿足關(guān)系式：必須滿足關(guān)系式：N2n操作碼操作碼OP地址碼地址碼A（操作數(shù)）（操作數(shù)）指令結(jié)構(gòu)指令結(jié)構(gòu)指令格式Shenyang Institute of Aeronautical Engineering6地址碼：地址碼：指明該指令的操作數(shù)據(jù)或操作數(shù)的主存地址指明該指令的操作數(shù)據(jù)或操作數(shù)的主存地址 或寄存器地址或寄存器地址。指令的長(zhǎng)度：指令的長(zhǎng)度： 操作碼的位數(shù)操作碼的位數(shù)+(+(操作數(shù)地址個(gè)數(shù)操作數(shù)

6、地址個(gè)數(shù)) )* *( (操作數(shù)地址碼位數(shù)操作數(shù)地址碼位數(shù)) ) 操作碼操作碼OP地址碼地址碼A（操作數(shù)）（操作數(shù)）指令結(jié)構(gòu)指令結(jié)構(gòu)指令格式Shenyang Institute of Aeronautical Engineering7指令中的地址碼三地址指令OP碼A1A2A3二地址指令OP碼A1A2一地址指令OP碼A零地址指令OP碼Shenyang Institute of Aeronautical Engineering8三地址指令 指令中含有三個(gè)操作數(shù)（地址碼）。指令中的地址碼OP碼A1A2A3相關(guān)說(shuō)明：（1）A1和A2運(yùn)算完以后的結(jié)果存入A3。 操作形式: (A1)OP(A2)A3（2）

7、設(shè)指令和數(shù)據(jù)存放位置如右， 忽略其它因素 (A1)ADD(A2)A3 分析指令執(zhí)行所需要的訪存次數(shù) 共需訪存4次結(jié)果結(jié)果指令指令下一指令下一指令第一操作數(shù)第一操作數(shù)第二操作數(shù)第二操作數(shù)050H1F0H230H3C8HShenyang Institute of Aeronautical Engineering9指令中的地址碼二地址指令 指令中包含一個(gè)操作碼和兩個(gè)地址碼。 也稱為雙操作數(shù)指令。指令助記符指令助記符MOV AL,04MOV AX,04OP碼A1A2相關(guān)說(shuō)明：（1）A1既是源操作數(shù)，又是目標(biāo)操作數(shù)，運(yùn)算完畢后的結(jié)果存入A1，A1可能是存儲(chǔ)器地址，也可能是寄存器號(hào)。 操作形式: (A1)

8、OP(A2)A1Shenyang Institute of Aeronautical Engineering10指令中的地址碼一地址指令 顧名思義，指令中只有一個(gè)操作碼和一個(gè)地址碼。 指令中給出的一個(gè)地址既是操作數(shù)的地址，又是操作結(jié)果 的存儲(chǔ)地址。如加1、減1、移位等單操作數(shù)指令。也稱為單操作數(shù)指令。 操作形式：OP(A)A 或者: (AC) OP (A) A指令助記符指令助記符INC AXINC BXShenyang Institute of Aeronautical Engineering11指令中的地址碼零地址指令 指令中只有一個(gè)操作碼，而無(wú)地址碼。這種指令有兩種可能：（1）無(wú)需任何操作

9、數(shù)。如空操作指令，停機(jī)指令等。（2）所需的操作數(shù)是默認(rèn)的：某些堆棧操作指令。指令助記符指令助記符HLTNOPShenyang Institute of Aeronautical Engineering12指令助記符操作碼操作碼OP地址碼地址碼A（操作數(shù)）（操作數(shù)）純二進(jìn)制表示，記憶麻煩。用英文單詞來(lái)表示相應(yīng)功能的指令，這些英文單詞稱為指令助記符。1101110000011010001Shenyang Institute of Aeronautical Engineering13指令助記符典型指令典型指令指令助記符指令助記符二進(jìn)制操作碼二進(jìn)制操作碼加法ADD001減法SUB010傳遞MOV011

10、跳轉(zhuǎn)JMP100轉(zhuǎn)子程序JSR101存數(shù)STO110取數(shù)LAD111設(shè)指令系統(tǒng)僅有7條指令。Shenyang Institute of Aeronautical Engineering14 機(jī)器字長(zhǎng)：計(jì)算機(jī)能直接處理的二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位數(shù) 按計(jì)算機(jī)的發(fā)展，從8位16位發(fā)展到32位和64位 決定計(jì)算機(jī)的運(yùn)算精度。 地址碼部分決定了指令的直接尋址能力。 若為n位，則能直接尋址2n字節(jié)。 早期計(jì)算機(jī)字長(zhǎng)較短，采用下列方式提高尋址能力增加機(jī)器字長(zhǎng)以增加地址碼長(zhǎng)度，直接提高采用地址擴(kuò)展技術(shù)。存儲(chǔ)空間分段，用基地址加上位移量來(lái)增加地址碼長(zhǎng)度機(jī)器字長(zhǎng)與指令字長(zhǎng)的關(guān)系Shenyang Institute of A

11、eronautical Engineering15指令的長(zhǎng)度： 操作碼的位數(shù)+(操作數(shù)地址個(gè)數(shù))*(操作數(shù)地址碼位數(shù)) 存儲(chǔ)器能直接訪問(wèn)的最小單位為字節(jié)，為了充分利用存儲(chǔ)器指令的長(zhǎng)度通常為字節(jié)的整數(shù)倍。 指令的長(zhǎng)度與機(jī)器字長(zhǎng)之間有沒(méi)有固定關(guān)系？無(wú)固定關(guān)系。指令可以短于機(jī)器字長(zhǎng)，也可以比其長(zhǎng)。短指令格式：訪存少，有利于提高運(yùn)行速度，用于執(zhí)行頻率較 高的指令。長(zhǎng)指令格式：訪存時(shí)間長(zhǎng)，用于較為復(fù)雜的指令。機(jī)器字長(zhǎng)與指令字長(zhǎng)的關(guān)系Shenyang Institute of Aeronautical Engineering16地址個(gè)數(shù)多地址個(gè)數(shù)多指令長(zhǎng)，一條指令功能較為強(qiáng)大，可以縮短程序長(zhǎng)度指令長(zhǎng)，一條

12、指令功能較為強(qiáng)大，可以縮短程序長(zhǎng)度地址個(gè)數(shù)少地址個(gè)數(shù)少指令短，一條指令完成功能較少，程序長(zhǎng)度較長(zhǎng)，單條指令指令短，一條指令完成功能較少，程序長(zhǎng)度較長(zhǎng)，單條指令訪存次數(shù)也可以相應(yīng)減少，硬件設(shè)計(jì)可以得到簡(jiǎn)化訪存次數(shù)也可以相應(yīng)減少，硬件設(shè)計(jì)可以得到簡(jiǎn)化ADD A1 ，A2，A3ADD A1，A2MOV A3，A1地址個(gè)數(shù)對(duì)程序和指令長(zhǎng)度的影響Shenyang Institute of Aeronautical Engineering174.3指令碼的擴(kuò)展 指令操作碼的長(zhǎng)度決定了指令系統(tǒng)中完成不同操作的指令條數(shù)。設(shè)操作碼有n位， 則指令條數(shù)最多為2n條OP編碼方式固定格式 操作碼長(zhǎng)度固定，集中放在一個(gè)

13、字段可變格式 OP長(zhǎng)度可變，分散放在指令的不同字段中Shenyang Institute of Aeronautical Engineering18可變格式一：Huffman編碼 Huffman編碼的原則： 對(duì)使用頻度較高的指令，分配較短的操作碼字段； 對(duì)使用頻度較低的指令，分配較長(zhǎng)的操作碼字段。若采用自由可變長(zhǎng)的huffman編碼，勢(shì)必使得操作碼的譯碼困難。 指令的長(zhǎng)度有限，當(dāng)?shù)刂反a的數(shù)目確定后，操作碼的變長(zhǎng)受其限制。Shenyang Institute of Aeronautical Engineering19問(wèn)題的提出 某機(jī)器的指令長(zhǎng)度為16位，包括4位基本操作碼和三個(gè)4位地址字段。 若

14、三地址指令僅需15條，兩地址指令需15條，一地址指令需15條，零地址指令需16條，共61條指令，應(yīng)如何安排操作碼？61條指令，若采用固定長(zhǎng)度編碼，則操作碼至少需要6位， 當(dāng)前只給定了4位，即使擴(kuò)展成6位，也無(wú)法滿足三地址指令的需要可變格式二：指令操作碼擴(kuò)展技術(shù)Shenyang Institute of Aeronautical Engineering20可能性 若指令長(zhǎng)度固定，地址碼個(gè)數(shù)不同，操作碼的長(zhǎng)度也不同。ADD A,B,CMOV A,BINC AHALT可變格式二：指令操作碼擴(kuò)展技術(shù)Shenyang Institute of Aeronautical Engineering21操作碼的

15、擴(kuò)展需要兼顧指令條數(shù)和地址碼的個(gè)數(shù)OPA1A2AnOPA1A2AnO PA2AnOPAn 指令擴(kuò)展的要點(diǎn)：指令擴(kuò)展的要點(diǎn)：操作碼位數(shù)隨地址碼個(gè)數(shù)變化采取可變長(zhǎng)度的類型；操作碼位數(shù)隨地址碼個(gè)數(shù)變化采取可變長(zhǎng)度的類型；不允許短操作碼是長(zhǎng)操作碼的一部分，以保證指令間指令碼不允許短操作碼是長(zhǎng)操作碼的一部分，以保證指令間指令碼 一定不重復(fù)；一定不重復(fù)；根據(jù)需要靈活變通，但操作碼長(zhǎng)度為有限幾種。根據(jù)需要靈活變通，但操作碼長(zhǎng)度為有限幾種?？勺兏袷蕉褐噶畈僮鞔a擴(kuò)展技術(shù)Shenyang Institute of Aeronautical Engineering22例如：某機(jī)器的指令長(zhǎng)度為16位，包括4位基本操

16、作碼和三個(gè)4位地址字段。 若三地址指令僅需15條，兩地址指令需15條，一地址指令需15條，零地址指令需16條，共61條指令，應(yīng)如何安排操作碼？15條15條15條16條可變格式二：指令操作碼擴(kuò)展技術(shù)Shenyang Institute of Aeronautical Engineering2315條15條15條16條4位4位4位4位OPA3A2A1OPOPA1OP00001110 1111留作擴(kuò)展留作擴(kuò)展A3A2A11111000011111110 11111111留作擴(kuò)展留作擴(kuò)展A1A2A2A1111111110000111111111110 111111111111留作擴(kuò)展留作擴(kuò)展A1111

17、11111111100001111111111111111為了縮短指令的平均長(zhǎng)度，應(yīng)用頻率比較高的指令應(yīng)該分配較短的操作碼。確保指令碼的唯一性；可變格式二：指令操作碼擴(kuò)展技術(shù)Shenyang Institute of Aeronautical Engineering24特點(diǎn)：能充分利用指令字的各個(gè)字段；在不增加指令長(zhǎng)度的情況下擴(kuò)展操作碼的長(zhǎng)度，能表示更多的指令?？勺兏袷蕉褐噶畈僮鞔a擴(kuò)展技術(shù)Shenyang Institute of Aeronautical Engineering25實(shí)例 實(shí)際的機(jī)器中，比較成功的為B-1700機(jī)，該機(jī)指令的操作碼字段有4位，6位和10位三種長(zhǎng)度。Shenya

18、ng Institute of Aeronautical Engineering26 課堂練習(xí) 例如：某機(jī)器的指令長(zhǎng)度為16位，包括4位基本操作碼和三個(gè)4位地址字段，4位基本操作碼有16個(gè)碼點(diǎn)，若全部用于表示三地址指令，則只有16條。 若三地址指令僅需15條，兩地址指令需14條，一地址指令需31條，零地址指令需16條，共76條指令，應(yīng)如何安排操作碼？Shenyang Institute of Aeronautical Engineering27小結(jié) 指令的出現(xiàn)與發(fā)展 指令的格式，操作碼和地址碼的含義 指令操作碼的擴(kuò)展方法和意義Shenyang Institute of Aeronautical Engineering人有了知識(shí)，就會(huì)具備各種分析能力，人有了知識(shí)，就會(huì)具備各種分析能力，明辨是非的能力。明辨是非的能力。所以我們要勤懇讀書，廣泛閱讀，所以我們要勤懇讀書，廣泛閱讀，古人說(shuō)古人說(shuō)