计算机组成与设计 教学课件 作者 胡越明 第四章.ppt

第四章 指令系统 4.1 指令与指令系统 4.1.1 指令的格式 指令格式：操作码，地址码 一、操作码opcode 固定长度操作码：便于译码，扩展性差 可变长度操作码：能缩短指令平均长度 二、地址码addressing code 零地址指令，如NOP, CLR 一地址指令，如INC R1 二地址指令，如ADD R1, R2 三地址指令，如ADD R1, R2, R3 4-1 设某台计算机有100条指令，(1) 采用固定长度操作码编码，试设计其操作码的编码。(2) 假如这100条指令中有10条指令的使用概率达到90%，其余90条指令的使用概率为10%。试采用不等长编码设计操作码。 解： (1) 采用固定长度操作码编码时，需要7位操作码。取其中的100个代码作为指令操作码，可以用0000000到1100011之间的代码代表100条指令，即 0000000 指令0的操作码 0000001 指令1的操作码 … 1100011 指令99的操作码 剩下从1100100到1111111共28个代码可用于增加新指令，每条指令的操作码的长度都是7。 4-1 设某台计算机有100条指令，(1) 采用固定长度操作码编码，试设计其操作码的编码。(2) 假如这100条指令中有10条指令的使用概率达到90%，其余90条指令的使用概率为10%。试采用不等长编码设计操作码。 (2) 用4位代码对10条常用指令进行编码，用8位代码对90条不常用代码进行编码，即 0000 指令0的操作码 0001 指令1的操作码 … 1000 指令8的操作码 1001 指令9的操作码 指令10的操作码 指令11的操作码 … 指令99的操作码 指令操作码的平均长度为 4×90% + 8×10% = 4.4位 比等长编码的7位小。 例4-2 若某计算机要求有如下形式的指令：三地址指令12条，二地址指令60条，零地址指令16条(不要求有单地址指令)。设指令字长为16位，每个地址码长为4位，试用扩展操作码为其编码。 解：三个地址码字段占12位。剩下4位作为操作码，12条指令的操作码分别为0000、0001、0010、…、1011。 在双地址指令中，操作码扩展到8位，每个编码加上扩展的4位后，可以有24=16个编码，共有64个编码，取60个，即1100 0000～1111 1011。 零地址指令中，全部16位指令代码都是操作码，取其前16个编码，即1111 1100 0000 0000～1111 1100 0000 1111。 4.1.1 指令的格式 三、指令长度 固定长度 取指快、译码简单。 单字长、双字长、多字长 可变长度 可提高编码效率 四、指令助记符 伪指令、累加器，通用寄存器 Add $1, $2, $3 4.2 数据的类型及其存储方式 4.2.1 操作数的类型 整型数、单精度和双精度浮点数、字符型 数据长度：单字节、双字节、字、双字、四倍字 4.2.2 操作数的存储方式 大数端(big Endian)和小数端(little Endian) 4.2 数据的类型及其存储方式 数据对齐方式 字不对齐方式下的数据存储 访存次数问题 Char c; Short int i,j; int k; 跨页问题 字对齐方式下的数据存储 空间浪费问题 Char c; Short int i,j; int k; 字对齐方式下的存储器访问 速度较高 接口较简单 字不对齐方式下的存储器访问 节省空间 访存速度慢 接口复杂 数据存储方式的例子 4.2.4 堆栈 ——寄存器堆栈 4.2.4 堆栈 ——存储器堆栈 4.3 寻址方式 按地址寻找与按内容寻找 寻址方式 地址码形成操作数存储位置的方式 4.3 寻址方式 4.3 寻址方式 解：(1) 指令执行之后PC的值为50010。 (2) 相对转移指令中的地址偏移量应为 500 - 754 = -254 (3) 254 28，如果采用补码表示相对地址，则可以形成前向和后向的转移，这样需要增加一个符号位，相对地址字段需要9个二进制位。 4.4 指令格式的设计 4.4.1 操作码的编码 霍夫曼编码 频率相关编码方法 前缀码 采用霍夫曼树 扩展霍夫曼编码法 减少操作码长度数量 扩展霍夫曼编码 确定不同的编码长度 在满足长度数量限制的条件下，可以有多种不同长度的选择方案，需要进行比较才能选出最佳的编码长度选择 根据长度进行编码 编码时将使用概率较高的指令操作码用较短的编码表示，使用概率较低指令的操作码用较长的编码表示； 尽量将较多的指令操作码采用较短的编码，充分利用短小的编码。 4.4.1 操