第十一講(指令設(shè)計(jì)基礎(chǔ)及指令系統(tǒng))

南大科技學(xué)院主講羅少彬Email：luoshaobin2010@163.comPhone：83#####4章指令系統(tǒng)指令設(shè)計(jì)基礎(chǔ)指令系統(tǒng)概述本講主要內(nèi)容指令概述

用計(jì)算機(jī)解題時(shí)，一般都要編制程序，程序既可用高級(jí)語(yǔ)言編寫，亦可用機(jī)器語(yǔ)言編寫；但計(jì)算機(jī)只能夠識(shí)別和執(zhí)行用機(jī)器語(yǔ)言編寫的程序；各種高級(jí)語(yǔ)言編寫的應(yīng)用程序，最終都要翻譯成機(jī)器語(yǔ)言來(lái)執(zhí)行。機(jī)器語(yǔ)言是由一系列的指令（語(yǔ)句）組成的；指令的格式就是機(jī)器語(yǔ)言的語(yǔ)法；每條指令規(guī)定機(jī)器完成一定的功能。

一臺(tái)計(jì)算機(jī)的所有的指令集合稱為該機(jī)的指令系統(tǒng)或指令集。它是程序工作者編制程序的基本依據(jù)，也是進(jìn)行計(jì)算機(jī)邏輯設(shè)計(jì)的基本依據(jù)。一條指令應(yīng)包含如下信息：進(jìn)行何種操作：即操作性質(zhì)。體現(xiàn)在指令中被稱為操作碼。操作的對(duì)象：數(shù)據(jù)來(lái)源以及如何尋找操作數(shù)。體現(xiàn)在指令中被稱為地址碼。操作結(jié)果：結(jié)果存放在何處。下一條指令又如何尋找？指令格式指令由操作碼和地址碼兩部分組成，它的基本格式如下：操作碼地址碼

1.操作碼操作碼是說(shuō)明指令操作性質(zhì)的二進(jìn)制數(shù)代碼。操作碼所占的二進(jìn)制位數(shù)決定了一臺(tái)計(jì)算機(jī)所能允許的指令條數(shù)。

例如，操作碼占用六位二進(jìn)制碼時(shí)，這臺(tái)計(jì)算機(jī)最多允許有：

26＝64條指令(1)固定長(zhǎng)度操作碼

固定長(zhǎng)度操作碼是指操作碼所占的二進(jìn)制位數(shù)固定不變，而且集中放在指令字的一個(gè)字段中。

這種格式有利于簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)，減少指令譯碼時(shí)間，廣泛用于字長(zhǎng)較長(zhǎng)的大、中型計(jì)算機(jī)和超級(jí)小型計(jì)算機(jī)中。

例如IBM370和VAX﹣11系列機(jī)中,操作碼的長(zhǎng)度都是8位，可表示256條指令。(2)可變長(zhǎng)度操作碼

可變長(zhǎng)度操作碼是操作碼擴(kuò)展技術(shù)的應(yīng)用，即操作碼的長(zhǎng)度是可變的，且分散地放在指令的不同字段中。這種格式有利于壓縮程序中操作碼的平均長(zhǎng)度，在字長(zhǎng)較短的微型機(jī)中被廣泛應(yīng)用。如：PDP－11，INTEL8086/80386等，其操作碼的長(zhǎng)度均是可變的。操作碼字段分兩種：操作碼的擴(kuò)展：

這是一個(gè)16位字長(zhǎng)的指令碼，包括4位基本操作碼字段和三個(gè)4位長(zhǎng)的地址字段。4位基本操作碼，若全部用于三地址指令，則有16條。顯然，4位基本操作碼是不夠的，必須向地址碼字段擴(kuò)展操作碼的長(zhǎng)度。其擴(kuò)展方法及步驟如下：

OPA1A2

A34位4位4位4位①15條三地址指令的操作碼由4位基本操作碼0000~1110所給定，剩下一個(gè)1111則用于把操作碼擴(kuò)展到X地址碼字段，即由4位擴(kuò)展到8位；?②

14條二地址指令的操作碼由8位操作碼的1111,0000~1111,1101給定，剩下的1111,1110和1111,1111又可用于把操作碼擴(kuò)充到Y(jié)地址字段，即從8位又?jǐn)U充到12位；③

31條一地址指令的操作碼由12位操作碼的1111,1110,0000~1111,1111,1110給定。15條三地址指令14條二地址指令

31條一地址指令0001XXXXYYYYZZZZ1110XXXXYYYYZZZZ11110000YYYYZZZZ11110001YYYYZZZZ11111101YYYYZZZZ

┆

┆111111100000ZZZZ111111100001ZZZZ111111111110ZZZZ

┆0000XXXXYYYYZZZZ由此類堆，還可以把剩下的1111,1111,1111擴(kuò)充到Z地址碼字段而形成的16位操作碼，這時(shí)還可由1111,1111,1111,0000~1111,1111,1111,1111給出16條零地址指令。因此，共有15+14+31+16=76條指令，除了這種安排外，還有多種其它安排方法。

如：形成15條三地址指令，12條二地址指令，63條一地址指令，16條零地址指令，共106條指令。

實(shí)際的機(jī)器可以采用各種靈活的擴(kuò)展方式，其思路與此類似。

11111111000011111111

1111000111111111

1111

111116零上述方法是在不增加指令長(zhǎng)度的情況下，采用對(duì)地址少的指令使用較長(zhǎng)的操作碼，對(duì)地址數(shù)多的指令使用較短的操作碼。其實(shí)質(zhì)是增加了指令的數(shù)量，豐富了指令的功能。在可變長(zhǎng)操作碼的指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，究竟使用何種擴(kuò)展方法為好，指令的使用頻度（即在程序中出現(xiàn)的概率）是非常重要的依據(jù)。即頻度高的指令應(yīng)分配短的操作碼，頻度低的指令則分配較長(zhǎng)的操作碼。這樣，既可有效地縮短操作碼在程序中的平均長(zhǎng)度，節(jié)省存儲(chǔ)空間，又可縮短常用指令的譯碼時(shí)間以提高程序的運(yùn)行速度。其缺點(diǎn)是譯碼系統(tǒng)比固定操作碼復(fù)雜，增加了設(shè)計(jì)控制器的難度，需要更多的硬件作支持。

2.地址碼

指令中的地址碼用來(lái)指出該指令的源操作數(shù)地址(一個(gè)或兩個(gè))、結(jié)果地址及下一條指令的地址。

這里的地址可以是主存地址，也可以是寄存器地址，甚至可以是I/O設(shè)備的地址。下面以主存地址為例，分析指令的地址碼字段。

OP:操作碼；

A1：第一地址碼，存放第一操作數(shù)；

A2：第二地址碼，存放第二操作數(shù)；

A3：第三地址碼，存放操作結(jié)果；

A4：第四地址碼，存放下條要執(zhí)行指令的地址。

操作：（A1）OP（A2）→A3(1)四地址指令指令格式：OPA1A2A3A4這種指令直觀易懂，后續(xù)指令的地址可任意填寫?？芍苯訉ぶ返牡刂贩秶c地址字段的位數(shù)有關(guān)。

例如：指令字長(zhǎng)32位，操作碼占8位，4個(gè)地址段各占6位，則指令的直接尋址范圍為：

26=64

如果地址字段均指示主存的地址，則完成一條四地址指令，共需訪問(wèn)四次存儲(chǔ)器（取指令一次，取兩個(gè)操作數(shù)兩次，存結(jié)果一次）。

因?yàn)槌绦蛑写蟛糠种噶疃际琼樞驁?zhí)行的，當(dāng)采用指令計(jì)數(shù)器后，A4地址可以省去。(2)三地址指令指令格式：

OPA1A2

A3三地址指令中各項(xiàng)含義與四地址指令相同。由于采用了指令計(jì)數(shù)器（又稱程序計(jì)數(shù)器，簡(jiǎn)稱PC），省去了A4地址；用三地址指令編寫的程序，其指令在內(nèi)存中必須依次存放，才能利用程序計(jì)數(shù)器自動(dòng)增量的辦法順序執(zhí)行。若程序要轉(zhuǎn)向時(shí)，必須用轉(zhuǎn)移指令改變程序的執(zhí)行順序。如果指令字長(zhǎng)不變(32位)，操作碼仍為8位，故三地址指令直接尋址范圍可達(dá)：28=256若地址字段均為主存地址，則完成一條三地址指令也需四次訪問(wèn)存儲(chǔ)器。

OP：操作碼；

A1：既作第一操作數(shù)地址，又作目的地址；

A2：第二操作數(shù)地址。

操作：（A1）OP（A2）→A1(3)二地址指令指令格式：OPA1A2有的機(jī)器也表示（A1）OP（A2）→A2，A2既作第一操作數(shù)地址，又作目的地址；在不改變字長(zhǎng)和操作碼位數(shù)的前提下，二地址指令可直接訪問(wèn)的主存地址數(shù)為：212=4K使用二地址指令編寫的程序，其指令在內(nèi)存中也要依次存放，才能用程序計(jì)數(shù)器自動(dòng)增量使之順序執(zhí)行。若程序發(fā)生轉(zhuǎn)向時(shí)，也必須用轉(zhuǎn)移指令改變程序的執(zhí)行順序。當(dāng)二地址指令執(zhí)行之后，A1中的內(nèi)容被修改了。有的機(jī)器規(guī)定A2為目的地址，這時(shí)則是A2的內(nèi)容被修改了。若地址字段均為主存地址，則完成一條二地址指令也需四次訪問(wèn)存儲(chǔ)器。(4)一地址指令

指令中只給出一個(gè)操作數(shù)地址，另一個(gè)操作數(shù)地址和目的地址則是隱含的。這個(gè)隱含的地址就是運(yùn)算器的累加寄存器AC。

OP

A指令格式：操作：（AC）OP（A）→AC在不改變字長(zhǎng)和操作碼位數(shù)的前提下，二地址指令可直接訪問(wèn)的主存地址數(shù)為：224=16M完成一條指令只需兩次訪存；采用一地址指令編寫的程序，其指令在內(nèi)存中也要順序存放，由程序計(jì)數(shù)器自動(dòng)增量控制其順序執(zhí)行。程序轉(zhuǎn)向時(shí)，也用轉(zhuǎn)移指令改變程序的執(zhí)行方向。在程序執(zhí)行前，必須用一條“取數(shù)指令”把其中一個(gè)操作數(shù)放到累加寄存器中。程序結(jié)束后，累加寄存器的內(nèi)容已被修改。若要將累加寄存器中的結(jié)果送回內(nèi)存，則必須使用“存數(shù)指令”。堆棧的操作

設(shè)數(shù)據(jù)進(jìn)棧方向?yàn)閺母叩刂废虻偷刂钒l(fā)展，當(dāng)向堆棧壓入數(shù)據(jù)時(shí)，SP的內(nèi)容先自動(dòng)遞減而指向一個(gè)新的空棧頂單元，再把數(shù)據(jù)寫入此棧頂單元；當(dāng)數(shù)據(jù)彈出堆棧時(shí)，立即讀出SP所指向的棧頂單元內(nèi)容，再把SP內(nèi)容自動(dòng)遞增而指向新的棧頂位置。即PUSHX；(SP)-1SP(X)(SP)POPX；(SP)(X)(SP)+1SP(5)零地址指令沒(méi)有操作數(shù)地址的指令稱為零地址指令。執(zhí)行零地址指令時(shí)，沒(méi)有操作數(shù)或者被運(yùn)算的操作數(shù)地址全部是隱含的，指令格式中只說(shuō)明作什么操作。如，沒(méi)有操作數(shù)：停機(jī)指令；所需的操作數(shù)是默認(rèn)的：堆棧操作。3.指令字長(zhǎng)度與機(jī)器字長(zhǎng)度的關(guān)系機(jī)器字長(zhǎng)度簡(jiǎn)稱字長(zhǎng)，指計(jì)算機(jī)能并行處理的二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位數(shù)。字長(zhǎng)是計(jì)算機(jī)中的一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)，字長(zhǎng)越長(zhǎng)，計(jì)算機(jī)的運(yùn)算精度越高；字長(zhǎng)還能反映指令的直接尋址能力，若字長(zhǎng)n位全用來(lái)尋址，可直接尋址2n個(gè)字節(jié)。為了便于處理字符數(shù)據(jù)及盡可能地利用存儲(chǔ)空間，一般把機(jī)器字長(zhǎng)定為字節(jié)長(zhǎng)度（8位）的整數(shù)倍，即是8位、16位、32位或64位。微型、小型機(jī)的字長(zhǎng)多為8位、16位和32位，中、大型機(jī)的字長(zhǎng)多為32位和64位。因此，一個(gè)字中可以存儲(chǔ)1個(gè)、2個(gè)、4個(gè)或8個(gè)字符。(1)機(jī)器字長(zhǎng)

指令字的長(zhǎng)度取決于操作碼的長(zhǎng)度、操作數(shù)地址的長(zhǎng)度和操作數(shù)地址的個(gè)數(shù)。

由于操作碼的長(zhǎng)度、操作數(shù)地址的長(zhǎng)度以及所采用操作數(shù)地址數(shù)目不同，各種指令的長(zhǎng)度不是固定的，當(dāng)然也不是任意的。

為了充分利用存儲(chǔ)空間，指令字的長(zhǎng)度也定為字節(jié)長(zhǎng)度的整數(shù)倍。例如INTEL8086/80586系列機(jī)的指令長(zhǎng)度分別為8位、16位、24位、32位、48位等。而最長(zhǎng)的指令可達(dá)120位。(2)指令字長(zhǎng)(3)指令字長(zhǎng)與機(jī)器字長(zhǎng)的關(guān)系指令字長(zhǎng)度與機(jī)器字長(zhǎng)度沒(méi)有固定的關(guān)系，它可以等于機(jī)器字長(zhǎng)，也可以大于或小于機(jī)器字長(zhǎng)。指令字長(zhǎng)度等于機(jī)器字長(zhǎng)度的指令，稱為單字長(zhǎng)指令；指令字長(zhǎng)等于兩個(gè)機(jī)器字長(zhǎng)的指令，稱為雙字長(zhǎng)指令；指令字長(zhǎng)度只有半個(gè)機(jī)器字長(zhǎng)度的指令，稱為半字長(zhǎng)指令。

例如IBM370系列機(jī)的機(jī)器字長(zhǎng)為32位，它卻有16位的半字長(zhǎng)指令、32位的單字長(zhǎng)指令、48位的一個(gè)半字長(zhǎng)指令。等字長(zhǎng)指令結(jié)構(gòu)在同一個(gè)指令系統(tǒng)中，所有的指令字長(zhǎng)度都是相等的，稱為等字長(zhǎng)指令字結(jié)構(gòu)，這種指令字結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便；變字長(zhǎng)指令結(jié)構(gòu)如果各種指令字長(zhǎng)度隨指令的功能而變化，如有的指令是單字長(zhǎng)指令，有的指令是雙字長(zhǎng)指令或三字長(zhǎng)指令，則稱為變字長(zhǎng)指令結(jié)構(gòu)，這種指令字結(jié)構(gòu)靈活，能充分利用指令字長(zhǎng)度，但指令的控制較復(fù)雜。各種指令字的結(jié)構(gòu)情況地址

II+1I+2I+3指令指令指令指令┆一個(gè)字長(zhǎng)┆┆指令指令指令指令地址

II+1I+2I+3一個(gè)字長(zhǎng)指令指令指令指令┆地址

II+1I+2I+3指令1指令2一個(gè)字長(zhǎng)┆單字長(zhǎng)指令雙字長(zhǎng)指令半字長(zhǎng)指令變字長(zhǎng)指令指令3一個(gè)字長(zhǎng)地址II+1I+2I+3I+4I+5I+6指令1指令2┆4.指令助記符

由于硬件只能識(shí)別1和0，所以采用二進(jìn)制操作碼是必要的，但是我們用二進(jìn)制來(lái)書寫程序卻非常麻煩。

為了便于書寫和閱讀程序，每條指令通常用3個(gè)或4個(gè)英文縮寫字母來(lái)表示。這種縮寫碼叫做指令助記符。典型指令指令助記符二進(jìn)制操作碼加法ADD001減法SUB010傳送MOV011跳轉(zhuǎn)JMP100轉(zhuǎn)子JSR101存儲(chǔ)STR110讀數(shù)LAD111典型的指令助記符指令格式舉例八位微型計(jì)算機(jī)的指令格式

8位微型機(jī)字長(zhǎng)只有8位，指令結(jié)構(gòu)是一種可變字長(zhǎng)形式，包含單字長(zhǎng)、雙字長(zhǎng)、三字長(zhǎng)指令等多種。單字長(zhǎng)指令操作碼雙字長(zhǎng)指令操作碼操作數(shù)地址三字長(zhǎng)指令操作碼操作數(shù)地址1操作數(shù)地址2內(nèi)存按字節(jié)編址，所以單字長(zhǎng)指令每執(zhí)行一條指令后，指令地址加１。雙字長(zhǎng)指令或三字長(zhǎng)指令每執(zhí)行一條指令時(shí)，指令地址要加2或加3，可見(jiàn)多字長(zhǎng)的指令格式不利于提高機(jī)器速度。PDP/11系列機(jī)指令格式

PDP/11系列機(jī)指令字長(zhǎng)16位，其指令格式如下表所示。在PDP/11中，操作碼字段是不固定的，其長(zhǎng)度也是不相同的。這樣做可以擴(kuò)展操作碼以包含較多的指令。但是操作碼字段不固定，對(duì)控制器的設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)必將復(fù)雜化。Pentium指令格式Mod-R/M字段：規(guī)定了存儲(chǔ)器操作數(shù)的尋址方式，給出了寄存器操作數(shù)的存器地址號(hào)。SIB字段：和Mod-R/M字段一起，對(duì)操作數(shù)來(lái)源進(jìn)行完整的說(shuō)明。0或10或10或10或1(字節(jié)數(shù))

指令前綴

段取代操作數(shù)長(zhǎng)度取代地址長(zhǎng)度取代(a)前綴1或20或10或10,1,2,40,1,2,4操作碼Mod

Reg或操作碼R/M比例S變址I基址B位移量立即數(shù)

2位3位3位2位3位3位(字節(jié)數(shù))(b)指令例16位機(jī)指令格式如下所示，其中OP為操作碼，試分析指令格式的特點(diǎn)。OP--------源寄存器目標(biāo)寄存器1597430解：

(1)單字長(zhǎng)二地址指令。(2)操作碼字段OP可以指定27=128條指令。(3)源寄存器和目標(biāo)寄存器都是通用寄存器（可分別指定24=16個(gè)），所以是RegisterRegister型指令，兩個(gè)操作數(shù)均在寄存器中。

(4)這種指令結(jié)構(gòu)常用于算術(shù)邏輯運(yùn)算類指令。例

16位機(jī)指令格式如下所示，OP為操作碼字段，試分析指令格式特點(diǎn)。OP-----------源寄存器變址寄存器位移量(16位)15107430解：(1)雙字長(zhǎng)二地址指令，用于訪問(wèn)存儲(chǔ)器。(2)操作碼字段OP為6位，可以指定26=64種操作。(3)一個(gè)操作數(shù)在源寄存器（共24=16個(gè)），另一個(gè)操作數(shù)在存儲(chǔ)器中（由變址寄存器和位移量決定），所以是RegisterStore型指令，可尋址存儲(chǔ)器范圍216=64K。指令設(shè)計(jì)基礎(chǔ)指令系統(tǒng)概述本講主要內(nèi)容程序、指令、指令系統(tǒng)程序：是由一系列的指令組成指令：是要計(jì)算機(jī)執(zhí)行某種操作的命令指令系統(tǒng)：是一臺(tái)計(jì)算機(jī)中所有指令的集合

決定計(jì)算機(jī)的基本功能，軟件與硬件的界面

是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)核心問(wèn)題指令系統(tǒng)概述指令的分類

一臺(tái)計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)通常有上百條或幾百條指令，從它們所完成的功能來(lái)看，一個(gè)較為完善的指令系統(tǒng)，應(yīng)具備以下各類指令。1.數(shù)據(jù)傳送類指令

這類指令的功能是實(shí)現(xiàn)寄存器與寄存器，寄存器與存儲(chǔ)單元以及存儲(chǔ)單元與存儲(chǔ)單元之間的數(shù)據(jù)傳送。數(shù)據(jù)傳送指令主要包括取數(shù)指令、存數(shù)指令、傳送指令、成組傳送指令、字節(jié)交換指令、清累加器指令、堆棧操作指令等等。2.算術(shù)運(yùn)算指令

這類指令包括二進(jìn)制定點(diǎn)加、減、乘、除指令，浮點(diǎn)加、減、乘、除指令，求反、求補(bǔ)指令，算術(shù)移位指令，算術(shù)比較指令，十進(jìn)制加、減運(yùn)算指令等。這類指令主要用于定點(diǎn)或浮點(diǎn)的算術(shù)運(yùn)算。大型機(jī)（如IBM370機(jī)、國(guó)產(chǎn)銀河機(jī)、CRAY-1機(jī)、CDC的STAR－100機(jī)等）中還設(shè)置有向量運(yùn)算指令，可直接對(duì)整個(gè)向量或矩陣進(jìn)行求和、求積運(yùn)算。3.邏輯運(yùn)算指令

這類指令包括邏輯加、邏輯乘、邏輯比較、測(cè)等指令、按位加、邏輯移位等指令，主要用于無(wú)符號(hào)數(shù)的位操作、代碼的轉(zhuǎn)換、判斷及運(yùn)算。移位指令用來(lái)對(duì)寄存器的內(nèi)容實(shí)現(xiàn)左移、右移或循環(huán)移位。4.程序控制指令

程序控制指令也稱轉(zhuǎn)移指令。執(zhí)行程序時(shí)，有時(shí)機(jī)器執(zhí)行到某條指令時(shí)，出現(xiàn)了幾種不同結(jié)果，這時(shí)機(jī)器必須執(zhí)行一條轉(zhuǎn)移指令，根據(jù)不同結(jié)果進(jìn)行轉(zhuǎn)移，從而改變程序原來(lái)執(zhí)行的順序。這種轉(zhuǎn)移指令稱為條件轉(zhuǎn)移指令。除各種條件轉(zhuǎn)移指令外，還有無(wú)條件轉(zhuǎn)移指令、轉(zhuǎn)子程序指令、返回主程序指令、中斷返回指令等。轉(zhuǎn)移指令的轉(zhuǎn)移地址一般采用直接尋址和相對(duì)尋址方式來(lái)確定。

轉(zhuǎn)子指令是轉(zhuǎn)向本指令操作地址所指出的子程序入口，并將原程序中下一條指令地址存入內(nèi)存某單元（或指定的某個(gè)寄存器）中，以便為返回主程序時(shí)提供返回地址。5.輸入輸出指令

輸入輸出指令主要用來(lái)啟動(dòng)外圍設(shè)備，檢查測(cè)試外圍設(shè)備的工作狀態(tài)，并實(shí)現(xiàn)外部設(shè)備和CPU之間，或外圍設(shè)備與外圍設(shè)備之間的信息傳送。6.字符串處理指令字符串處理指令是一種非數(shù)值處理指令，一般包括字符串傳送、字符串轉(zhuǎn)換（把一種編碼的字符串轉(zhuǎn)換成另一種編碼的字符串）、字符串替換（把某一字符串用另一字符串替換）等。這類指令在文字編輯中對(duì)大量字符串進(jìn)行處理。7.陷阱(TRAP)指令

陷阱是一種意外事故中斷，它的目的不是請(qǐng)求CPU正常處理中斷，而是為了把發(fā)生的故障通知CPU，并根據(jù)故障的情況轉(zhuǎn)入相應(yīng)的故障處理程序。陷講指令就是為實(shí)現(xiàn)這個(gè)任務(wù)而設(shè)置的。在一般計(jì)算機(jī)中，陷阱指令是一種隱含指令（它不出現(xiàn)在指令系統(tǒng)中，其功能是以指令的形式隱含地完成的），用戶不能使用，只有當(dāng)故障出現(xiàn)時(shí)，才由CPU自動(dòng)產(chǎn)生并執(zhí)行之，故又叫自中斷指令。但是，有些計(jì)算機(jī)中又設(shè)置有可供用戶使用的陷阱指令，可用它來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)用系統(tǒng)程序的請(qǐng)求。例如，INTEL8086的軟件中斷指令，實(shí)質(zhì)上是一種直接提供用戶使用的陷阱指令，它可完成調(diào)用系統(tǒng)子程序的過(guò)程。其匯編格式為：INTTYPE，其中TYPE是一個(gè)8位常數(shù)，表示中斷類型。執(zhí)行時(shí)，根據(jù)中斷類型可以找到相應(yīng)系統(tǒng)子程序的入口地址。8.特權(quán)指令

特權(quán)指令是指具有特殊權(quán)限的指令。這類指令只用于操作系統(tǒng)或其他系統(tǒng)軟件，一般不直接提供給用戶使用。在多用戶、多任務(wù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中特權(quán)指令必不可少。它主要用于系統(tǒng)資源的分配和管理。9.其他指令

除以上各類指令外，還有狀態(tài)寄存器置位、復(fù)位指令、測(cè)試指令、暫停指令，空操作指令，以及其他一些系統(tǒng)控制用的特殊指令。

從計(jì)算機(jī)的發(fā)展過(guò)程來(lái)看，指令系統(tǒng)是隨著計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)的完善和計(jì)算機(jī)性能而發(fā)展起來(lái)的。

早期的計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,指令條數(shù)少,指令系統(tǒng)功能弱,計(jì)算機(jī)的性能較差。

隨著VLSI技術(shù)的迅速發(fā)展，硬件成本不斷下降，軟件成本不斷上升，促進(jìn)人們?cè)谥噶钕到y(tǒng)中增加更多的指令和更復(fù)雜的指令，以適應(yīng)不同應(yīng)用領(lǐng)域的需要。

特別是系列機(jī)問(wèn)世之后，為了能做到程序兼容，新設(shè)機(jī)型或高檔機(jī)除了要繼承老機(jī)器的指令系統(tǒng)中的全部指令外，還要增加若干新的指令，從而導(dǎo)致同一系列計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，機(jī)器結(jié)構(gòu)也越來(lái)越復(fù)雜。1.RISC產(chǎn)生的時(shí)代背景RISC的產(chǎn)生和發(fā)展情況

目前，大多數(shù)計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)多到幾百條指令。這就體現(xiàn)了計(jì)算機(jī)性能越高，其指令系統(tǒng)越復(fù)雜的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思想。這類計(jì)算機(jī)稱為“復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)”，簡(jiǎn)稱CISC（ComplexInstructionSetComputer）。例如：VAX11/780計(jì)算機(jī)有303條指令，18種尋址方式；Pentium機(jī)有191條指令，9種尋址方式。

由于復(fù)雜指令需進(jìn)行復(fù)雜的操作，從而降低了機(jī)器的執(zhí)行速度。

對(duì)CISC指令系統(tǒng)所作的運(yùn)行統(tǒng)計(jì)分析表明，各種指令使用頻率相差懸殊，常用的較為簡(jiǎn)單的指令，僅占指令總數(shù)的20%，但在程序中使用的頻率卻占80％。下表是HP公司研究了IBM370計(jì)算機(jī)的高級(jí)語(yǔ)言運(yùn)行情況后所得到的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。指令類別轉(zhuǎn)移邏輯操作存數(shù)取數(shù)存儲(chǔ)單元送存儲(chǔ)單元整數(shù)運(yùn)算浮點(diǎn)運(yùn)算十進(jìn)制運(yùn)算其它COBOLFORTRANPASCAL24.2%18.0%18.4%14.6%8.1%9.9%40.2%48.7%54.0%12.4%2.1%3.8%6.4%11.0%7.0%0.0%11.9%6.8%1.6%0.0%0.0%0.6%0.2%0.1%

根據(jù)上述分析情況，國(guó)外一些計(jì)算機(jī)公司和大學(xué)開(kāi)展了對(duì)指令系統(tǒng)合理性的研究，1975年IBM公司的JohnCocke提出了精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)的想法，后來(lái)出現(xiàn)了各種各樣的“精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)”，簡(jiǎn)稱RISC（ReducedInstructionSetComputer）。也稱為RISC技術(shù)。

RISC技術(shù)的實(shí)質(zhì)是要求指令系統(tǒng)簡(jiǎn)化，盡量使用寄存器－寄存器操作指令，指令操作在一個(gè)周期內(nèi)完成，指令格式力求一致，以利于提高編譯的效率。2.RISC的發(fā)展概況1982年美國(guó)加州伯萊克大學(xué)研究的RISCI機(jī)(以后又有RISCII):采用VLSICPU芯片,片上晶體管數(shù)為44000個(gè),線寬3m，字長(zhǎng)32位，有128個(gè)寄存器（但程序員只能看到32個(gè)）這些寄存器均為32位，它只有31條指令，兩種尋址方式。其中，只有兩種存儲(chǔ)器訪問(wèn)指令，LOAD（取數(shù)）和STORE（存數(shù)）指令。

其功能超過(guò)VAX－11/780或M68000，而速度比VAX－11/780幾乎快一倍。同時(shí)，斯坦福大學(xué)推出MIPS機(jī)，IBM公司推出IBM801機(jī)，顯示了RISC的生命力，并推動(dòng)了RISC技術(shù)的不斷發(fā)展。這些機(jī)種稱第一代RISC處理器，具有32位數(shù)據(jù)通路，支持Cache，但軟件支持較少，性能與CISC處理器相當(dāng)。(1)第一代RISC處理器RISCI機(jī)

第二代RISC處理器在第一代的基礎(chǔ)上提高了集成度和時(shí)鐘頻率，建立了比較完善的Cache分層存儲(chǔ)體系。它們已具有單指令流水線，每次順序執(zhí)行多條指令，每個(gè)周期發(fā)出一條指令。例如，MIPS公司的R3000處理器，則采用了25MHZ和33MHZ的時(shí)鐘頻率，芯片集成度是11.5萬(wàn)晶體管，字長(zhǎng)32位。(2)第二代RISC處理器

第三代RISC處理器則采用了巨型計(jì)算機(jī)或大型計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)技術(shù)——超級(jí)流水線（Superpipelining）技術(shù)和超標(biāo)量（Superrscalar）技術(shù)。提高了指令級(jí)的并行處理能力，使RISC處理器的整體性能得到改善。例如，MIPS公司的R4000處理器采用50MHZ和75MHZ的外部時(shí)鐘頻率（內(nèi)部流水線時(shí)鐘是100MHZ和150MHZ），芯片集成度高達(dá)110萬(wàn)晶體管，字長(zhǎng)是64位，并包含有16KB的Cache在芯片上。它具有R4000PC、R4000SC、R4000MC三種版本，分別提供給臺(tái)式系統(tǒng)、高性能服務(wù)器和多處理器環(huán)境下使用。(3)第三代RISC處理器

自1983年開(kāi)始出現(xiàn)商品化RISC機(jī)以來(lái)，比較有名的是RISC計(jì)算機(jī)有：

IBM公司的IBMRT系列；HP公司的精密結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)（HPPA）；MIPSR3000；MotorolaM88000；Intel80960；INMOSTransputer；AMDAm29000；Fairchildclipper等。

其中Clipper兼顧了RISC和CISC兩方面的特點(diǎn)，又稱為類RISC機(jī)。精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)不僅是要簡(jiǎn)化指令系統(tǒng)，而且要通過(guò)簡(jiǎn)化指令系統(tǒng)而使計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)單合理，以提高運(yùn)算速度，最有效的辦法是減少指令的執(zhí)行周期數(shù)。RISC的主要特點(diǎn)

若設(shè)高級(jí)語(yǔ)言程序經(jīng)編譯后在機(jī)器上運(yùn)行的機(jī)器指令數(shù)為I;

每條機(jī)器指令執(zhí)行時(shí)所需要的平均機(jī)器周期數(shù)是C;

每個(gè)機(jī)器周期的執(zhí)行時(shí)間為T，

計(jì)算機(jī)執(zhí)行程序的時(shí)間P可用下式計(jì)算：P=I×C×T1.P、C、I由于RISC指令比較簡(jiǎn)單，原CISC機(jī)中比較復(fù)雜的指令可用RISC中一段子程序代替，因此，RISC中的I比CISC的多20%—40%;但是，RISC的大多數(shù)指令只用一個(gè)機(jī)器周期實(shí)現(xiàn)，C的值比CISC的小得多;又因?yàn)镽ISC結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，完成一個(gè)操作所經(jīng)過(guò)的數(shù)據(jù)通道較短，因此，T的值大為減少。T<11C1.3~1.74~6I1.2~1.41RISCCICSRISC/CICS的I、C、T統(tǒng)計(jì)表（其中，I、T為比值，C為實(shí)際周期數(shù)）RISC繼承了CISC的成功技術(shù)，又克服了CISC的缺點(diǎn)，其發(fā)展速度很快。第三代的RISC中雖然擴(kuò)充了許多功能部件，以至采用了巨型機(jī)或大型機(jī)的技術(shù)。然而，很難在RISC和CISC之間劃出一條明顯的分界線。通過(guò)對(duì)各種RISC產(chǎn)品的分析，可以概括出如下一些主要特點(diǎn)：(1)選取使用頻率最高的一些簡(jiǎn)單指令和很有用但不復(fù)雜的指令;(2)指令長(zhǎng)度固定，指令格式種類少，尋址方式種類少;(3)訪問(wèn)存儲(chǔ)器指令極少，只有取數(shù)/存數(shù)指令（Load/Store），其余指令的操作都在