第四章指令系统[二].ppt

4.3.3 指令格式分析与设计方法举例 例:某16位机指令格式结构如下所示，试分析指令格式及寻址方式特点。 例:某16位机指令格式结构如下所示,试分析指令格式及寻址方式特点。 例:某机配有基址寄存器和变址寄存器,采用一地址格式的指令系统,允许直接和间接寻址,且指令字长、机器字长和存储字长均为16位,主存按字编址. (1)若采用单字长指令,共能完成105种操作,则指令可直接寻址的范围是多少？一次间接寻址的寻址范围是多少？画出其指令格式并说明各字段的含义. 【解答】 105种操作,故操作码取7位； 按题意有4种寻址方式,故寻址方式特征位取2位. 指令格式如下： (2)若存储字长不变,可采用什么方法直接访问容量为16MB的主存？ 【解答】 16MB=8M×16位,需要23位的地址位才能访问该主存的全部单元. 可在上述(1)指令格式的基础上，采用双字长指令；格式如下： 例:某16位模型机共有64种操作,操作码位置固定,且具有以下特点： (1)采用一地址或二地址格式； (2)由寄存器寻址、直接寻址和相对寻址(位移量为-128~+127)三种寻址方式； (3)有16个通用寄存器,算术运算和逻辑运算的操作数及运算结果都在寄存器中； (4)取数/存数指令在通用寄存器和主存之间传送数据； (5)存储器容量为1MB,按字节编址. 要求设计算逻指令、取数/存数指令和相对转移指令的格式,并简述设计理由. 解： (1)算逻指令为R-R型,单字长16位二地址即可： 解: (3)相对转移指令： 按题目所给定的位移量-128~+127可知，有8位补码表示该位移量即可； 再考虑OP字段6位和寻址方式字段2位,使用单字长一地址指令就可以设计. 例:某机主存容量为4M×16位,且存储字长等于指令字长,若该机指令系统能完成97种操作,操作码位数固定,具有直接、间接、变址、基址、相对、立即六种寻址方式. (1)画出一地址指令格式并指出各字段作用. 解: 一地址指令格式为： (2)该指令直接寻址的最大范围是多少？ 解: A是6位,26=64位直接寻址的最大范围. (3)一次间址和多次间址的寻址范围？ 解: 存储字长16位,故一次间址寻址范围是216； 若多次间址,需用存储字的最高位来区别是否继续间接寻址,故其寻址范围为215. (4)立即数的范围？ 解: A是6位,若是有符号数则立即数的范围是 -32~+31;无符号数则为0~63. (5)相对寻址的位移量(十进制数表示)? 解: 位移量为补码表示,所以有 -32~+31。 (6)上述六种寻址方式的指令哪一种执行时间最短？哪一种执行时间最长？哪一种便于用户编制处理数组问题的程序？哪一种便于程序浮动？ 解: 立即寻址的执行时间最短； 间接寻址的执行时间最长； 变址寻址指令便于用户编制处理数组问题的程序； 相对寻址有利于程序浮动. 例:内存中数据分布如下,若A为单元地址,(A)为A的内容. 例:设某台计算机的指令系统中共有57条指令: (1) 若采用固定长度编码,其操作码的编码长度需要多少位？ 解:需要6位,即从000000到111011. (2) 设该指令系统中有10条指令的使用频率为80%,其余为20%,若采用不等长编码方式,其操作码的平均长度为多少？ 解: 采用不等长编码方式时,常用的指令用短的操作码表示,不常用的指令可用长操作码表示. 10条常用指令用4位编码表示,即从0000到1001. 不常用的47条指令需要7位编码表示,即从1010000到1111110,操作码平均长度: 4×80%+7×20%=4.6 引入系列机的概念:基本指令相同、基本体系结构相同的一系列计算机,如IBM 370系列、VAX-11系列、IBM PC(XT/AT/286/386/486/Pentium)微机系列等. (1)系列机实现软件兼容的必要条件是,该系列的各机种有共同的指令集,且新开发机种的指令系统一定包含旧机型的所有指令. (2)指令系统的改进是围绕缩小指令与高级语言的语义差异以及有利于操作系统的优化而进行. 以上原因,使指令本身功能不断增强,指令系统规模不断加大. 对CISC机测试表明:最常使用的是一些最简单最基本的指令,仅占指令总数的20%,但在程序中出现的频率却占80%. 4、为克服CISC的不足,提高指令执行速度,人们又提出了便于VLSI技术实现的精简指令集计算机reduced instruction set computers,简称RISC。 (1)RISC目的： 希望用20%左右的简单指令来组合实现不常用的80%指令的功能.但不是简单地将指令系统简化,而是通过简化指令系统,使计算机的结构更加简单合理,从而提高处理速