指令系统的发展与性能要求.pptVIP

4.1指令系统的发展与性能要求 4.1.1指令系统的发展 计算机的程序是有一系列的机器指令组成的。 指令就是要计算机执行某种操作的命令。 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。 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：介于微指令和宏指令之间，通常简称为指令，每一条指令可以完成一个独立的算术运算或逻辑运算操作。 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，影响到机器的适用范围。 下面我们来看一下计算机指令系统的发展过程 50年代：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。 60年代后期：增加了乘除运算、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。 60年代后期开始出现 系列计算机是指节本指令系统相同、基本体系结构相同的一系列计算机。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，即实现一个“向上兼容”。因此旧机种上运行的各种软件可以不加任何修改便可在新机种上运行，大大减少了软件开发费用。系列机解决了各机种的软件兼容问题 复杂指令系统计算机（CISC)计算机的指令系统多达几百条。但是如此庞大的指令系统难以保证正确性，不易调试维护，造成硬件资源浪费。为此人们又提出了便于VLSI技术实现的 精简指令系统计算机（RISC）RISC是一种计算机系统结构的设计思想，至今还没有一个确切的定义，也难以再CISC和RISC之间划出一条明显的界限 4．1．2 对指令系统性能的要求 指令系统的性能决定了计算机的基本功能，它的设计直接关系到计算机的硬件结构和用户的需要。一个完善的指令系统应满足如下四方面的要求： 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。完备性要求指令系统丰富、功能齐全、使用方便。 有效性是指利用该指令系统所编写的程序能够高效率地运行。高效率主要表现在程序占据存储空间小、执行速度快。 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；匀齐性是指：一种操作性质的指令可以支持各种数据类型；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。 ? 兼容性：至少要能做到“向上兼容”，即低档机上运行的软件可以在高档机上运行。 4．1．3 低级语言与硬件结构的关系 计算机语言有高级语言和低级语言之分。 高级语言语句和用法与具体机器的指令系统无关。 低级语言分机器语言（二进制语言）和汇编语言（符号语言），这两种语言都是面向机器的语言，它们和具体机器的指令系统密切相关。 机器语言用指令代码编写程序，而符号语言用指令助记符来编写程序。 高级语言和低级语言的异同可参考表4.1。 计算机能够直接识别和执行的唯一语言是二进制语言，但人们采用符号语言或高级语言编写程序。为此，必须借助汇编程序或编译程序，把符号语言或高级语言翻译成二进制码组成的机器语言。 　　汇编语言依赖于计算机的硬件结构和指令系统。不同的机器有不同的指令，所以用汇编语言编写的程序不能在其他类型的机器上运行。 　　高级语言与计算机的硬件结构及指令系统无关，在编写程序方面比汇编语言优越。但是高级语言程序 “看不见”机器的硬件结构，不能用于编写直接访问机器硬件资源的系统软件或设备控制软件。为此，一些高级语言提供了与汇编语言之间的调用接口。用汇编语言编写的程序，可作为高级语言的一个外部过程或函数，利用堆栈来传递参数或参数的地址。  指令字表示一条指令的机器字，就称为指令宇，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。 操作码字段表征指令的操作特性与功能；地址码字段通常指定参与操作的操作数的地址。 一条指令的结构可用如下形式来表示： 4．2．1 操作码 指令系统的每一条指令都有一个操作码，它表示该指令应进行什么性质的操作。 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。 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。 4．2．2 地址码 地址码通常指定参与操作的操作数的地址。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。目前二地址和一地址指令格式用的得最多。 零地