计算机组成原理（第二版） 第8章 指令系统.ppt

第八章 指令系统 重点内容： 指令系统的发展与性能要求； 机器指令的设计要素； 指令格式； 操作数类型和操作类型； 指令和数据的寻址方式； RISC技术。 8.1 指令系统的发展与性能要求 计算机的程序由一系列的机器指令组成 指令就是要计算机执行某种操作的命令 指令是计算机硬件能够识别并直接执行的操作命令 它指示计算机硬件完成指定的基本操作 从计算机组成的层次结构来说，计算机的指令有微指令、机器指令和宏指令之分。 8.1 指令系统的发展与性能要求 微指令是微程序级的命令，它属于硬件 宏指令是由若干条机器指令组成的软件指令，它属于软件 机器指令则介于微指令与宏指令之间，通常简称为指令，每一条指令可完成一个独立的算术运算或逻辑运算操作 本章所讨论的指令，是机器指令。 8.1 指令系统的发展与性能要求 一台计算机中所有机器指令的集合，称为这台计算机的指令系统。 指令系统是表征一台计算机性能的重要因素，它的格式与功能不仅直接影响到机器的硬件结构，而且也直接影响到系统软件和机器的适用范围。 8.1.1 指令系统的发展 20世纪50年代，由于受器件限制，计算机的硬件结构比较简单，所支持的指令系统只有定点加减、逻辑运算、数据传输、转移等十几至几十条指令。 20世纪60年代后期，随着集成电路的出现，硬件功能不断增强，指令系统越来越丰富，除以上基本指令外，还设置了乘除运算、浮点运算、十进制运算、字符串处理等指令，指令数目多达一二百条，寻址方式也趋多样化。 8.1.1 指令系统的发展 20世纪60年代后期开始出现系列计算机。 系列计算机，是指基本指令系统相同、基本体系结构相同的一系列计算机。 Pentium系列就是当前流行的一种个人机系列。 一个系列往往有多种型号，通常是新机种在性能和价格方面比旧机种优越。 系列机解决了各机种的软件兼容问题，其必要条件是同一系列的各机种有共同的指令集，而且新推出的机种指令系统一定包含所有旧机种的全部指令。因此旧机种上运行的各种软件可以不加任何修改便在新机种上运行，大大减少了软件开发费用。 8.1.1 指令系统的发展 CISC 20世纪70年代末期，随着VLSI技术的飞速发展而越来越复杂化，大多数计算机的指令系统多达几百条,称这些计算机为复杂指令系统计算机(CISC)。 RISC 庞大的指令系统不但使计算机的研制周期变长，难以保证正确性，不易调试维护，而且由于采用了大量使用频率很低的复杂指令而造成硬件资源浪费。为此提出了便于VLSI技术实现的精简指令系统计算机(RISC)。 8.1.2 指令系统的性能要求 （1）完备性 指用汇编语言编写各种程序时，指令系统直接提供的指令足够使用，而不必用软件来实现。 （2）有效性 指利用该指令系统所编写的程序占据存储空间小、执行速度快。 8.1.2 指令系统的性能要求 （3）规整性 对称性是指在指令系统中所有的寄存器和存储器单元都可同等对待，所有的指令都可使用各种寻址方式； 匀齐性是指一种操作性质的指令可以支持各种数据类型，如算术运算指令可支持字节、字、双字整数的运算，十进制数运算和单、双精度浮点数运算等； 指令格式和数据格式的一致性是指，指令长度和数据长度有一定的关系，以方便处理和存取。 8.1.2 指令系统的性能要求 （4）兼容性 系列机各机种之间具有相同的基本结构和共同的基本指令集，因而指令系统是兼容的，即各机种上基本软件可以通用。 由于不同机种推出的时间不同，在结构和性能上有差异，做到所有软件都完全兼容是不可能的，只能做到“向上兼容”，即低档机上运行的软件可以在高档机上运行。 8.1.3 低级语言与硬件结构的关系 程序是人们把需要用计算机解决的问题变换成计算机能够识别的一串指令或语句 。 编程语言有高级语言和低级语言之分。 低级语言分机器语言（二进制语言）和汇编语言（符号语言），它们都是面向机器的语言，和具体机器的指令系统密切相关。 高级语言的语句和用法与具体机器的指令系统无关。 8.1.3 低级语言与硬件结构的关系 8.2 机器指令的设计要素 CPU的操作被它执行的指令所确定。这些指令被称为机器指令（Machine Instruction）或计算机指令。 CPU可完成的各类功能反映在为CPU定义的各类指令中。 CPU执行的各种不同指令的集合称为CPU的指令集（Instruction Set） 8.2.1 机器指令格式 机器指令设计的要素主要有： 操作码（Operation Code） 指定将要完成的操作类型（如ADD、MOV等），这些二进制代码常简称为Opcode。 源操作数地址（Source Operand Reference） 操作会涉及一个或多个源操作数，它指明从哪里得到源操作数。 目的操作数地址（Re