计算机组成原理第二版课件 组成原理第三章.ppt

计算机组成原理 宋红 sxyqsh@163.com 第三章 指令系统 3-1 指令系统的发展与要求 3-2 指令格式 3-3 寻址方式 3-4 指令类型 3．1 指令系统的发展与要求 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，影响到机器的适用范围。早期的计算机，从简化计算机硬件结构和降低成本考虑，指令系统都比较简单，所支持的指令系统只有定点加减、逻辑运算、数据传送、转移等十几至几十条指令。条数少和运算功能弱，能处理的数据只是定点小数，使用非常困难。到了20世纪70～80年代，随着集成电路和超大规模集成电路的出现与发展，计算机硬件成本直线下降；相应的软件成本所占比例迅速增加，计算机的指令系统日渐变得更加复杂和完备，指令条数多达三五百条，寻址方式也趋于多样化，能直接处理的数据类型更多，构成了复杂指令系统计算机(CISC)。 要确定一台计算机的指令系统并评价其优劣，通常应从如下四个方面考虑：指令系统的完备性，常用指令齐全，编程方便；完备性是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。完备性要求指令系统丰富、功能齐全、使用方便。一台计算机中最基本、必不可少的指令是不多的。许多指令可用最基本的指令编程来实现。一般来说，一个功能更强、更完善的指令系统，必定有更好的有效性。指令系统的规整性，指令和数据使用规则统一简单，易学易记；规整性包括指令系统的对称性、匀齐性、指令格式和数据格式的一致性。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； 第一部分： 是指令的操作码。操作码用于指明本条指令的操作功能。例如，是算术加运算、减运算还是逻辑与、或运算功能，是否读、写内存或读、写外设操作功能，是否程序转移和子程序调用或返回操作功能等，计算机需要为每条指令分配一个确定的操作码。 第二部分： 是指令的操作数地址，用于给出被操作的信息(指令或数据)的地址，包括参加运算的一或多个操作数所在的地址，运算结果的保存地址，程序的转移地址、被调用的子程序的入口地址等。 在一条指令中，如何分配这两部分所占的位数(长度)，如何安排操作数的个数，如何表示和使用一个操作数的地址(寻址方式)，是要认真对待、精心设计的重要问题。 机器指令是用机器字来表示的。表示一条指令的机器字，就称为指令字，通常简称指令。指令格式，则是指令字用二进制代码表示的结构形式，通常由操作码字段和地址码字段组成。操作码字段表征指令的操作特性与功能，而地址码字段通常指定参与操作的操作数的地址。因此，一条指令的结构可用如下形式来表示： 3．2．1 操作码 设计计算机时，对指令系统的每一条指令都要规定一个操作码。指令的操作码表示该指令应进行什么性质的操作，如进行加法、减法、乘法、除法、取数、存数等等。不同的指令用操作码字段的不同编码来表示，每一种编码代表一种指令。例如，操作码001可以规定为加法操作；操作码010可以规定为减法操作；而操作码110可以规定为取数操作等等。CPU中的专门电路用来解释每个操作码，因此机器就能执行操作码所表示的操作。 组成操作码字段的位数一般取决于计算机指令系统的规模。较大的指令系统就需要更多的位数来表示每条特定的指令。例如，一个指令系统只有8条指令，则有3位操作码就够了(2３＝8)。如果有32条指令，那么就需要5位操作码(2５＝32)。一般来说，一个包含n位的操作码最多能够表示2Ｎ条指令。 对于一个机器的指令系统，在指令字中操作码字段和地址字码段长度通常是固定的。在单片机中，由于指令字较短，为了充分利用指令字长度，指令字的操作码字段和地址码字段是不固定的，即不同类型的指令有不同的划分，以便尽可能用较短的指令字长来表示越来越多的操作种类，并在越来越大的存储空间中寻址。 3．2．2 地址码 根据一条指令中有几个操作数地址，可将该指令称为几操作数指令或几地址指令。一般的操作数有被操作数、操作数及操作结果这三种数，因而就形成了三地址指令格式，这是早期计算机指令的基本格式。在三地址指令格式的基础上，后来又发展成二地址格式、一地址格式和零地址格式。各种不同操作数的指令格式如下所示： (1) 零地址指令的指令字中只有操作码，而没有地址码。 例如，停机指令就不需要地址码，因为停机操作不需要操作数。 (2) 一地址指令常称为单操作数指令。 通常，这种指令是以运算器中累加寄存器AC中的数据为被操作数，指令字的地址码字段所指明的数为操作数，操作结果又放回累加寄存器AC中，而累加寄存器中原来的数随即被冲掉，其数学含义为 (AC)　OP　(Ｄ)　→　AC 式中， OP