計算機組成原理7

ALUCPU主機I/O設備CU主存CPUCUALU完成對數(shù)據(jù)的暫存及運算處理基本運算規(guī)則基本硬件配置指揮各部件協(xié)同運行節(jié)拍分析CU設計邏輯微程序硬布線指令第７章指令系統(tǒng)7.1機器指令7.2操作數(shù)類型和操作類型7.3尋址方式7.4指令格式舉例7.5RISC技術(shù)重點：1、機器指令格式及編碼

2、尋址方式3、RISC主要特點及其與CISC的區(qū)別難點：1、指令格式設計特別是確定指令字中各字段的位數(shù)及其含義

2、尋址方法與地址格式關(guān)系指令：機器完成某種操作（運算）的命令。指令系統(tǒng)：機器可執(zhí)行全部指令集合。程序：為解決某特定問題而設計的有序指令集合（完成某種運算處理功能的指令代碼序列）。指令表現(xiàn)形式：二進制代碼——機器指令（機器語言）助記符——匯編指令（匯編語言）指令字長：指令代碼二進制的位數(shù)。指令是計算機運行及用戶使用計算機的最小功能單位。指令的格式、功能、尋址方式與CPU組成結(jié)構(gòu)、指令執(zhí)行步驟關(guān)系密切。

指令系統(tǒng)評價：完備性——常用指令齊全，編程方便。高效性——占內(nèi)存空間小，運行速度快。規(guī)整性——規(guī)則統(tǒng)一，易學易記。兼容性——同一系列機的兼容性。指令系統(tǒng)決定了一臺計算機的功能，指令系統(tǒng)確定，硬件必須給予支持。硬件核心作用：實現(xiàn)指令功能，執(zhí)行機器指令程序。7.1機器指令一、指令的一般格式操作碼字段

地址碼字段1.操作碼（OP）：指明指令操作功能(1)

長度固定(2)

長度可變（擴展操作碼）長度：二進制位數(shù)指明被操作信息（指令或數(shù)據(jù)）位置（地址）操作數(shù)定位：指令或數(shù)據(jù)存放的位置立即操作數(shù)寄存器操作數(shù)內(nèi)存操作數(shù)

I/O操作數(shù)（隱含操作數(shù)）2.地址碼（Ad）：指令操作數(shù)地址(1)四地址(2)三地址OPA1A2A3A4OPA1A2A3地址碼字段地址碼個數(shù)：(3)二地址OPA1A2(4)一地址OPA1(5)零地址OP

模型機指令系統(tǒng):操作碼地址碼指令格式：OP(6b)Ad(10b)可操作類型(指令個數(shù))26可訪問存儲空間210(000H----3FFH)功能指令助記符操作碼地址碼

ACC←

[M]000001…………LDAM

[M]←ACC000010…………STAMACC←ACC+

[M]000011…………ADDM

ACC←

ACC

*[M]000100…………MULM打印←

[M]000101…………PRTM停機000110HALTZACC←ACC∩DataAND#DataZ=1PC←

addrJZaddr模型機指令系統(tǒng)：二、指令字長：指令代碼二進制位數(shù)指令字長決定于操作碼的長度(指令字長=存儲字長)2.指令字長可變操作數(shù)地址的長度操作數(shù)地址的個數(shù)1.指令字長固定按字節(jié)的倍數(shù)變化指令長度與執(zhí)行速度及硬件復雜度相關(guān)。常用指令盡可能短。盡可能減少訪存次數(shù)。分析：1、固定操作碼方式指令結(jié)構(gòu)及可容納指令條數(shù)；

2、擴展操作碼方式指令結(jié)構(gòu)及可構(gòu)成指令條數(shù)。三、指令編碼模型機指令字長:16位基本操作碼：6b地址碼：10b1、固定操作碼方式：操作碼地址碼OP(6b)Ad(10b)可容納指令條數(shù)：26可訪問存儲空間210(000H----3FFH)2、擴展操作碼方式：操作碼地址碼000000000001111110…AAA…111111111111111111…000000000011111…000000000111111…63條一地址指令共？條1024條零地址指令=(26-X)210條若X條一地址指令？零地址指令可有多種指令結(jié)構(gòu)方案【例：P301圖7.2】指令字長：16b基本操作碼：4b地址碼：4b分析：1、固定操作碼長度指令結(jié)構(gòu)及可容納指令條數(shù)；

2、擴展操作碼方式指令結(jié)構(gòu)及可構(gòu)成指令條數(shù)。1、OPA1A2A3444416條三地址指令分析：固定操作碼方式2、擴展操作碼方式操作碼的位數(shù)隨地址數(shù)的減少而增加OPA1A2A3000000011110…A1A1A1…A2A2A2…A3A3A3…A2A2A2…A3A3A3…111111111111…000000011110…111111111111…111111111111…111111111111…000000011111…111111111111…111111111111…A3A3A3…000000011110…4位操作碼8位操作碼12位操作碼16位操作碼最多15條三地址指令最多15條二地址指令最多15條一地址指令16條零地址指令共61條

2、擴展操作碼方式操作碼的位數(shù)隨地址數(shù)的減少而增加OPA1A2A3000000011110…A1A1A1…A2A2A2…A3A3A3…A2A2A2…A3A3A3…111111111111…000000011110…111111111111…111111111111…111111111111…000000011111…111111111111…111111111111…A3A3A3…000000011110…4位操作碼8位操作碼12位操作碼16位操作碼三地址指令操作碼每減少一種可多構(gòu)成24種二地址指令二地址指令操作碼每減少一種可多構(gòu)成24

種一地址指令可有多種指令結(jié)構(gòu)方案7.2操作數(shù)類型和操作種類一、操作數(shù)類型地址數(shù)字字符邏輯數(shù)無符號整數(shù)定點數(shù)、浮點數(shù)、十進制數(shù)ASCII邏輯運算位二、數(shù)據(jù)在存儲器中的存放方式字地址為低字節(jié)地址字地址為高字節(jié)地址37621540字地址04低字節(jié)04512673字地址04低字節(jié)字地址與字節(jié)地址數(shù)據(jù)邊界：存儲單元地址設機器字長4B：

字節(jié)半字/2字/4雙字/8存儲器中的數(shù)據(jù)存放：邊界對準邊界未對準三、操作類型1.

數(shù)據(jù)傳送2.算術(shù)邏輯運算8086：

ADDSUBMULDIVINCDECCMPNEGAAAAASAAMAADANDORNOTXORTEST模型機：LDAM

、STAM8086：MOVPUSHPOPINOUT模型機：ADDM

、MULM

、AND#Data3.移位操作4.轉(zhuǎn)移(1)無條件轉(zhuǎn)移8086:JMP(2)條件轉(zhuǎn)移8086：SALSHLSARSHRRORROL模型機：JZaddr8086：JZ/JNZ、JC/JNC

……(3)調(diào)用和返回CALLSUB1......CALLSUB2…...CALLSUB2…RETRET主程序地址200021002101子程序SUB1240025002501256025612700主存空間分配程序執(zhí)行流程子程序SUB2...(4)陷阱（中斷）指令8086：INTnINTOIRET…………研究問題：如何在指令中表示一個操作數(shù)地址信息

——尋址方式如何用這種表示得到操作數(shù)或怎樣計算出操作數(shù)地址

——尋址過程7.3尋址方式操作數(shù)可存放位置——操作數(shù)定位：

（隱含操作數(shù)）立即操作數(shù)寄存器操作數(shù)內(nèi)存操作數(shù)

I/O操作數(shù)

操作數(shù)個數(shù)——指令功能決定形式(邏輯)地址：表示在指令中的地址。物理(有效)地址(EA)：形式地址結(jié)合某些規(guī)則(即尋址方式)，計算出的操作數(shù)在存儲器中的存儲單元地址。操作數(shù)尋址：指令代碼地址——指令尋址數(shù)據(jù)地址——數(shù)據(jù)尋址7.3尋址方式一、指令尋址順序：(PC)+1PC尋找下一條欲執(zhí)行指令地址跳躍(轉(zhuǎn)移)：××××PC(PC)+××××PC絕對跳躍相對跳躍PC:

(PC)+1PC××××PC(PC)+××××PCPC計數(shù)器：74161——實驗三相對尋址：有效地址計算部件或ALU二、數(shù)據(jù)(oprd)尋址約定：

指令字長=存儲字長=機器字長形式地址A操作碼尋址特征1.隱含尋址操作數(shù)地址隱含在操作碼中ADDA操作數(shù)主存尋址特征AACC暫存ALU另一個操作數(shù)隱含在ACC中

指令字中少了一個地址字段，可縮短指令字長。2.立即尋址

指令執(zhí)行階段不訪存

A的位數(shù)限制了立即數(shù)的范圍OP#A立即尋址特征立即數(shù)（補碼）oprd=im=A

3.寄存器尋址oprd=Ri

執(zhí)行階段不訪存，只訪問寄存器，執(zhí)行速度快OPRi尋址特征操作數(shù)…………R0RiRn寄存器有效地址即為寄存器編號4.直接尋址EA=A操作數(shù)主存尋址特征LDAAAACC執(zhí)行階段訪問一次存儲器

A的位數(shù)決定了該指令操作數(shù)的尋址范圍有效地址由形式地址直接給出oprd=[EA]=[A]5.間接尋址EA=[A]有效地址由形式地址間接提供OPA尋址特征AEA主存EAA1EAA1主存EA10指令執(zhí)行階段2次或多次訪存可擴大尋址范圍OPA尋址特征A一次間址多次間址操作數(shù)操作數(shù)oprd=[EA]=[[A]]EA=Ri

6.寄存器間接尋址

有效地址在寄存器中，操作數(shù)在存儲器中，執(zhí)行階段訪存。操作數(shù)主存OPRi尋址特征地址…………R0RiRn寄存器有效地址在寄存器中oprd=[EA]=[Ri

]7.基址尋址(1)專用寄存器作基址寄存器EA=BR+ABR為基址寄存器OPA操作數(shù)主存尋址特征ALUBR

可擴大尋址范圍

有利于多道程序

BR內(nèi)容由操作系統(tǒng)或管理程序確定

在程序的執(zhí)行過程中BR內(nèi)容不變，形式地址A可變oprd=[EA](2)

通用寄存器作基址寄存器操作數(shù)主存尋址特征ALUOPR0AR0

作基址寄存器由用戶指定哪個通用寄存器作為基址寄存器通用寄存器R0Rn-1R1…基址寄存器的內(nèi)容由操作系統(tǒng)確定在程序的執(zhí)行過程中R0內(nèi)容不變，形式地址A可變oprd=[EA]

EA=Ri+A8.變址尋址EA=IX+AOPA操作數(shù)主存尋址特征ALUIX可擴大尋址范圍便于處理數(shù)組問題

IX的內(nèi)容由用戶給定IX為變址寄存器在程序的執(zhí)行過程中IX內(nèi)容可變，形式地址A不變oprd=[EA]

9.相對尋址

EA=PC+AA是相對于當前指令的位移量（補碼）A的位數(shù)決定操作數(shù)的尋址范圍程序浮動

廣泛用于轉(zhuǎn)移指令----相對轉(zhuǎn)移操作數(shù)尋址特征ALUOPA相對距離A1000PC

…主存1000AOPoprd=[EA]

=PC10.堆棧尋址堆棧硬堆棧軟堆棧多個寄存器指定的存儲空間先進后出（一個入出口）棧頂?shù)刂酚蒘P

指出–11FFFH+12000H進棧（SP）–?SP出棧（SP）+?SP棧頂棧底2000HSP2000H……1FFFHSP1FFFH棧頂棧底進棧出棧

1FFFH棧頂

2000H棧頂模型機指令分析：操作碼地址碼OP(6b)Ad(10b)7.4指令格式及尋址方式舉例功能指令助記符操作碼地址碼

ACC←

[M]000001…………LDAM

[M]←ACC000010…………STAMACC←ACC+

[M]000011…………ADDM

ACC←

ACC

*[M]000100…………MULM打印←

[M]