第四章 指令系统2015年.ppt

第 四 章 指 令 系 统 4.1 指令系统的发展与性能要求 4.1.1 指令系统的发展 计算机的程序是由一系列的机器指令组成的。 指令就是指挥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，指令可以分为： 1.微指令 是微程序级 属于硬件 2.宏指令 由若干条机器指令组成 属于软件 3.机器指令 介于上述两者之间 通常称为指令 每一条指令可以独立的完成一个算术运算或逻辑运算。 4.1 指令系统的发展与性能要求 4.1.1 指令系统的发展 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，由于硬件结构简单，指令系统就只有定点加减、逻辑运算、数据传送、转移等几十条指令。 60年代，随着集成电路的出现，又设置了乘除运算、浮点运算、十进制运算、字符串处理等指令，达一二百条。 4.1 指令系统的发展与性能要求 4.1.1 指令系统的发展 70年代末期，随着VLSI技术的发展，大多数计算机的指令系统多达几百条。称为复杂指令系统计算机，简称为CISC。 但CISC的研制周期长，难以保证正确性，不易调试，很多指令使用频率低且造成硬件资源浪费。为此又提出了精简指令系统计算机，简称RISC。 4.1 指令系统的发展与性能要求 4.1.2 对指令系统性能的要求 一个完善的指令系统应满足如下四个方面的要求： 1.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。 2.有效性：指该指令系统所编写的程序能够高效的运行。占空小、速度快。 3.规整性：指指令系统的对称性、匀齐性、指令格式和数据格式的一致性。 4.兼容性：同一系列的不同机型，指令系统兼容。但不同机型在结构和性能上有差异，完全兼容是不可能的。只能做到“向上兼容”。 4.2 指令格式 一条指令应提供两方面的信息： 1、是指明操作的性质，即干什么工作 2、指明操作数的来源，地址 指令的基本格式如下： 在指令格式设计时应相应地考虑如下问题： ①指令字长需要多少位，是定字长还是变字长； ②操作码是定长还是扩展，是一段还由若干段组合； ③地址结构：一条指令的执行涉及到哪些地址，在指令中给出哪些地址，哪些地址隐含的约定； 4.2 指令格式 ④ 寻址方式：如何获得操作数地址，是直接给出还是间接给出，或是经过变换计算获得等。 4.2 指令格式 4.2.1 指令字长度 1、一条指令字中包含二进制代码的位数，称为指令字长度。 指令字越长→表示的信息越多，功能越丰富，→占用空间就越多→读取的时间越长。 指令字越短→表示的信息越少，功能越简单，→占用空间就越少→读取的时间越短。 4.2 指令格式 4.2.1 指令字长度 2、机器字长：是指计算机能直接处理的二进制数据的位数，一般与主存单元的位数一致。由指令字长和机器字长之间的关系又可分为半字长指令、单字长指令，双字长指令。 采用单字长指令，则访问内存所花费的时间短。 采用多字长指令，可以有足够的地址位来解决访问内存任何单元的寻址问题，但缺点是必须两次或多次访问内存，浪费时间，且又占用了更多的内存空间。 4.2 指令格式 4.2.1 指令字长度 3、固定字长和变字长指令 ⑴ 如果各种指令字长度是相等的，称为等长指令字结构。 特点：结构简单、易于硬件实现； ⑵ 如果各种指令字长度是随指令功能而变化，称为变长指令字结构。 特点：能充分利用指令长度、但指令的控制较复杂。 早期计算机如NOVA系列，采用定字长指令格式，每条指令16位。 现代计算机广泛应用变字长指令，例如，IBM370系列，它的指令格式有16位（半字）的，有32位（单字）的，还有48位（一个半字）的。Pentium系列机，指令格式也是可变的：有8位、16位、32位、64位不等。 4.2.2 操作码格式 指令的操作码OP表示指令应进行什么性质的操作。 操作码的位数决定了该操作类型的多少。 操作码字段不同的编码表示不同的操作。 操作码大致有以下两种： 1.定长操作码：该操作码的位数与位置固定，通常占据指令最前面的几位。 特点：便于硬件设计和指令译码时间短。 该方式广泛用于字长较长的、大中型计算机和小型计 算机以及RI