第3章级机器组织.ppt

第3章 汇编级机器组织 本章结构 3.1 汇编级机器指令系统 计算机的程序是由一系列的指令组成的，指令则是计算机执行某种操作的命令。 指令系统：一台计算机中所有机器指令的集合，它是表征一台计算机性能的重要因素，其格式与功能不仅直接影响到机器的硬件结构，也直接影响到系统软件，影响到机器的适用范围。 一、指令系统的发展 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(指基本指令系统相同、基本体系结构相同的一系列计算机）。 70年代末期:大多数计算机的指令系统多达几百条。我们称这些计算机为复杂指令系统计算机(CISC)。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）。 80年代后期：80年代后期以来，为了实现指令级并行处理，又提出了超长指令字(VLIW)体系结构。VLIW指令系统的设计思想与水平微指令类似，每条指令中包含着多个独立的字段，字段中的操作码被送往不同的功能部件。 二、指令系统的性能要求 　　 一个完善的指令系统应满足如下四方面的要求： 完备性--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--利用该指令系统所编写的程序能够高效率的运行。高效率主要表现在程序占据存储空间小、执行速度快。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。 规整性--规整性又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--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。但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。 三、指令操作的种类 不同机器的指令系统各不相同。 一个机器的指令系统在一定程度上反映了机器的硬件组成和功能。 指令的分类 一个完整的指令系统通常应包括以下一些基本的指令类型： 数据传送类指令 算术运算类指令 逻辑运算类指令 程序控制类指令 输入输出类指令 特权指令 处理器控制指令 1、数据传送类指令 数据传送指令主要包括取数指令、存数指令、传送指令、成组传送指令、字节交换指令、清累加器指令、堆栈操作指令等等。 这类指令主要用来实现主存和寄存器之间，或寄存器和寄存器之间的数据传送。 2、算术运算类指令 这类指令包括二进制定点加、减、乘、除指令，浮点加、减、乘、除指令，求反、求补指令，算术移位指令，算术比较指令，十进制加、减运算指令等。 这类指令主要用于定点或浮点的算术运算，大型机中有向量运算指令，直接对整个向量或矩阵进行求和、求积运算。 3、逻辑运算类指令 这类指令包括逻辑加、逻辑乘、按位加、逻辑移位等指令，主要用于无符号数的位操作、代码的转换、判断及运算。 移位指令用来对寄存器的内容实现左移、右移或循环移位。 4、程序控制指令 程序控制指令也称转移指令。执行程序时，有时机器执行到某条指令时，出现了几种不同结果，这时机器必须执行一条转移指令，根据不同结果进行转移，从而改变程序原来执行的顺序。这种转移指令称为条件转移指令。 除各种条件转移指令外，还有无条件转移指令、转子程序指令、返回主程序指令、中断返回指令等。 转移指令的转移地址一般采用直接寻址和相对寻址方式来确定。 5、输入输出指令 输入输出指令主要用来启动外围设备，检查测试外围设备的工作状态，并实现外部设备和CPU之间，或外围设备与外围设备之间的信息传送。 6、特权指令 特权指令是指具有特殊权限的指令。 这类指令只用于操作系统或其他系统软件，一般不直接提供给用户使用。 在多用户、多任务的计算机系统中特权指令必不可少。它主要用于系统资源的分配和管理。 7、处理器控制指令 除以上各类指令外，还有状态寄存器置位、复位指令、测试指令、暂停指令，空操作指令，以及其他一些系统控制用的特殊指令。 3.2 指令格式 表示一条指令的机器字称为指令字，简称指令。 为便于机器识别，指令字必须按一定的二进制代码格式编写，此即指令格式。 通常指令格式由操作码字段和地址码字段组成。 操作码字段