组成第十讲-指令系统.ppt

第5章 指令系统 5.1 指令系统的发展 5.2 指令格式 5.3 数据表示 5.4 寻址方式（编址方式） 5.5 指令类型 5.6 指令系统的兼容性 5.7 精简指令系统计算机（RISC）和复杂指令系统（CISC） 5.8 指令系统举例 5.9 机器语言、汇编语言和高级语言 5.1 指令系统的发展 计算机系统主要由硬件和软件两部分组成。软件最终转换成一系列机器指令后在计算机上执行。 每条指令规定机器完成一定的功能。 指令系统：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。 5.1 指令系统的发展 20世纪50年代和60年代早期： 计算机所支持的指令系统只有定点加减、逻辑运算、数据传送和转移等十几至几十条最基本的指令； 寻址方式简单。 60年代后中、后期： 指令系统越来越丰富，增加了设置乘除法运算指令、浮点运算指令、十进制运算指令以及字符串处理指令等，指令数达一、二百条； 寻址方式趋于多样化。 5.1 指令系统的发展 为了满足各计算机上的软件的兼容性，以便在旧机器上编制的各种软件也能在新的、性能更好的机器上正确运行，因此，在60年代出现了系列计算机。 系列计算机：基本指令系统相同，基本体系结构相同的一系列计算机。 IBM370系列、VAX－11系列、IBMPC（XT/AT/286/386/486/Pentium）微机系列 系列机能解决软件兼容问题的必要条件是该系列的各机种有共同的指令集，而且新推出的机种的指令系统一定包含旧机种的所有指令，因此，在旧机种上运行的各种软件可以不加任何修改地在新机种上运行。 5.1 指令系统的发展 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。 指令系统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。 各计算机执行的指令系统决定了机器所要求的能力，同时也决定了指令的格式和机器的结构。不同结构的机器和不同的指令格式应该具有与之相匹配的指令系统。 为此，设计指令系统时，应重视以下几个方面： 指令格式 类型 操作功能 5.1 指令系统的发展 一个完善的指令系统应满足如下几方面的要求： 完备性：是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。 5.1 指令系统的发展 对称性：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：一种操作性质的指令可以支持各种数据类型； 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。 5.1 指令系统的发展 计算机的性能与它所设置的指令系统有很大关系，而指令系统的设置又与机器的硬件结构密切相关。 通常性能较好的计算机都设置有功能齐全、通用性强、指令丰富的指令系统，但这需要复杂的硬件结构来支持。 5.1 指令系统的发展 然而，指令结构太复杂也会带来一些不利的因素，如设计周期长，正确性难以保证且不易维护等。 实验证明，在如今庞大的指令系统中，只有诸如算术、逻辑运算、数据传送、转移和子程序调用等几十条最基本的指令才是经常使用的，而需要大量硬件支持的大多数较复杂的指令却利用率很低，造成硬件资源上的极大浪费。 第5章 指令系统 5.1 指令系统的发展 5.2 指令格式 5.3 数据表示 5.4 寻址方式（编址方式） 5.5 指令类型 5.6 指令系统的兼容性 5.7 精简指令系统计算机（RISC）和复杂指令系统（CISC） 5.8 指令系统举例 5.9 机器语言、汇编语言和高级语言 5.2 指令格式 从计算机组成的层次结构来说，指令分为： 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：则介于微指令与宏指令之间，通常简称为指令。每一条指令可完成一个独立的算术运算或逻辑运算操作。 本章所讨论的指令，是机器指令。 5.2 指令格式 5.2.1 指令格式 5.2.2 指令操作码的扩展技术 5.2.3 指令长度与字长的关系 5.2.1 指令格式 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。 根据不同的机器，指令的格式也是多样化的，为了使硬件能执行不同类型的操作，指令必须是二进制编码。 指令字一般为计算机的一个字长度，在该字中包含操作