第四章 指令系统.ppt

第四章 指令系统 指令系统决定了计算机的基本功能，因此指令系统的设计是计算机系统设计的一个核心问题。它不仅与计算机的硬件设计紧密相关，而且直接影响到系统软件设计的难易程度。 4.1 计算机的指令系统 一、 概念 1、指令：指示机器执行某种操作的命令。 2、指令码：表示一条指令意义的二进制代码。 3、指令格式：指令码的编码规则称为指令格式。 4、指令长度：指令码中二进制码的位数。 5、指令系统：一台计算机所能执行的全部指令的集合。 6、 程序：使计算机执行某个特定任务的一系列指令。 4.1 计算机的指令系统 二、完善的计算机的指令系统应具备的要求： 1、完备性 一台计算机中最基本的、必不可少的指令构成了指令系统的完备性。 2、有效性 有效性是指利用该指令系统所提供的指令编制的程序能够产生高效率。高效率主要表现在空间和时间方面，即占用存储空间小、执行速度快。 4.1 计算机的指令系统 3、规整性 规整性是指指令操作的对称性和匀齐性，指令格式与数据格式的一致性。 （1）对称性：指在指令系统中，所有的寄存器和存储单元都可同等对待，这对简化程序设计，提高程序的可读性非常有用。 （2）匀齐性：是指一种操作性质的指令可以支持各种数据类型。 （3）指令的格式与数据格式的一致性：是指指令长度与数据长度有一定关系，以方便存取和处理。 4、兼容性 兼容性一般是指计算机的体系结构设计基本相同，机器之间具有相同的基本结构、数据表示和共同的基本指令集合。 4.2 指令的格式 计算机的指令格式与机器的字长、存储器的容量及指令的功能密切相关。 4.2.1 指令的组成 两个字段：操作码字段+操作数地址字段： 1.操作码 操作码是指明指令操作性质的命令码。它提供指令的操作控制信息。 4.2.1 指令的组成 （1）?? 每条指令都要求它的操作码必须是独一无二的位组合。 （2）?? 指令系统中指令的个数N与操作码的位数n，必须满足关系式： N≤2n 2.操作数地址码 （1）地址码：用来描述该指令的操作对象。 （2）指令字长=操作码的位数+(操作数地址个数)*(操作数地址码位数) 4.2.2 指令格式设计 一、指令格式 1.零地址指令格式 这是一种没有操作数地址部分的指令格式。 这种指令有两种可能： （1）无需任何操作数。如空操作指令，停机指令等。 （2）所需的操作数是默认的：堆栈。 4.2.2 指令格式设计 A、堆栈的概念 （a）??? 是若干个存储单元(或寄存器)的有序集合，它顺序地存放一组元素。 （b）??? 数据的存取都只能在栈顶单元内进行，即数据的进栈与出栈都只能经过栈顶单元这个“出入口”。 （c）??? 堆栈中的数据采用“先进后出”或“后进先出”的存取工作方式。 4.2.2 指令格式设计 B、?堆栈结构在计算机中的作用 （a）??? 具有堆栈结构的机器使用零地址指令，这不仅合指令长度短，指令结构简单，机器硬件简化。 （b）?? 实现程序调用，子程序嵌套调用和递归调用。 （c）??? 对于“中断”技术，堆栈更是不可缺少的，保存“断点”和“现场”。 4.2.2 指令格式设计 C、堆栈的操作 设数据进栈方向为从高地址向低地址发展，当向堆栈压入数据时，SP的内容先自动递减而指向一个新的空栈顶单元，再把数据写入此栈顶单元；当数据弹出堆栈时，立即读出SP所指向的栈顶单元内容，再把SP内容自动递增而指向新的栈顶位置。即 PUSH X；(SP)-1?SP (X)?(SP) POP X； ((SP))?X (SP)+1?SP 4.2.2 指令格式设计 2.一地址指令格式 （1）指令中给出的一个地址即是操作数的地址，又是操作结果的存储地址。如加1、减1、移位等单操作数指令。 （2）在某些计算机中，指令中提供的一个地址提供一个操作数，另一个操作数是由机内硬件寄存器“隐含”地自动提供的。所谓“隐含”是指此操作数在指令中不出现，而是按照事先约定由寄存器默认提供，运算结果仍送到寄存器中。因为这个寄存器在连续运算时，保存着多条指令连续操作的累计结果，故称为累加器(AC)。 4.2.2 指令格式设计 3.二地址指令格式 （1）?? 把保存操作前原来操作数的地址称为源点地址(SS)，把保存指令执行结果的地址称为终点地址或目的地址(DD)。