IF ID EXE MEM WB CPI = 1 指令执行步骤.PPT

第4章 指令系统和汇编语言程序设计 指令系统和汇编语言程序设计 指令 指令的定义、功能和格式 基本寻址方式 指令执行步骤 指令系统 标准 分类 举例 汇编语言程序设计 指令和汇编语句 程序流程控制 汇编程序设计举例 指令格式和指令系统概述 指令的定义： 用于组成计算机程序，指示计算机硬件执行某项运算或操作功能的命令 一台计算机支持的全部指令构成该机的指令系统 评价一台计算机指令系统的优劣 指令系统的完备性 指令系统的高效性 指令系统的规整性 指令系统的兼容性 指令格式和指令系统概述 指令格式 指令的操作码：用于指明本条指令的运算和操作功能 指令的操作数地址：用于给出被操作的信息（指令或数据）的地址 操作码 操作数地址 操作码的组织与编码 定长的操作码的组织方案： 在指令字最高位部分分配固定若干位用于表示操作码 有利于简化计算机硬件设计，提高指令译码和识别速度 例如：IBM360机、 TEC-2000的16位机 变长的操作码的组织方案 在指令字最高位部分用一固定长度的字段来表示基本操作码，而对于部分操作数地址位数可以少的指令，则把另外多位辅助操作码扩充到该操作数地址字段，即操作码位数可变。 这种方法在不增加指令字长的情况下，可表示更多的指令,但增加了译码和分析难度，要求更多的硬件支持 例如：PDP-11计算机、TEC-2000的 8位机 操作数的个数 用操作数个数区分指令 无操作数指令 单操作数指令 双操作数指令 多操作数指令 操作数的来源和去向 通用寄存器：在指令字中直接给出寄存器编号，寄存器中存放操作数，操作数地址 外围设备（接口）中的一个寄存器：用设备号或设备入出端口地址或设备映象地址表示 内存储器中的存储单元 在指令字中直接给出一个操作数：立即数 指令的分类 算术与逻辑运算类指令 移位操作类指令 算术移位：一般为右移，对补码表示的一个二进制数，最高位上的符号位不变，把符号位和数据位同时右移一位 逻辑移位：左（右）移通常是在最低（高）的一位移入0值，把最高（低）一位移出的值送到进位触发器中 循环移位：把进位触发器C和一个被移位的数据首尾衔接起来一起实现左或右移位 指令的分类 数据传送类： 通用寄存器之间 通用寄存器与存储单元之间 通用寄存器与外部设备之间 转移类指令： 无条件转移 有条件转移：在指令中给出判断是否执行转移所依据的条件 子程序调用指令与返回指令 特权指令 其他指令 指令周期及其对计算机性能和硬件结构的影响 指令周期：执行一条指令所用的时间 读取指令 指令译码 ALU执行 内存读写 数据写回 实现方案 单指令周期的CPU系统 多指令周期的CPU系统 指令流水线的CPU系统：尽可能地在指令的每一个执行步骤都启动一条指令 * 计算机一条指令的执行时间被称为指令周期，一个CPU时钟时间被称为 CPU周期 (在某些计算机中，还可把一个 CPU周期再区分为几个更小的步骤，称其为节拍) 。执行每条指令平均使用的 CPU周期个数 被称为 CPI。 全部指令都选用 一个 CPU周期 完成的系统被称为单周期CPU，指令串行执行，前一条指令结束后才启动下条指令。每条指令都用 5个步骤的时间完成，控制各部件运行的信号在整个指令周期不变化。单周期CPU 对计算机部件组成和指令功能有限制, 系统性能很低, 不实用，不予介绍。 IF ID EXE MEM WB CPI = 1 指令执行步骤-单周期CPU CPU时钟 IF ID EXE MEM WB 指令周期 * 依据不同指令各自的功能需求为其选择不等的执行步骤的系统被称为多周期CPU ，控制各部件运行的控制信号随着指令执行步骤改变，系统性能和资源利用率更高。相邻指令可以完全串行执行，也可能部分时间重叠，多周期CPU更实用。在一条指令执行的过程中，1个ALU能用于多于一次的计算，1个存储器可执行多次读写，可通过安排到不同的时间段来实现。 IF ID EXE WB 指令周期 IF ID 指令周期 IF ID EXE MEM WB 指令周期 CPU时钟 CPI ≈ 4 指令执行步骤-多周期CPU * MIPS计算机多周期CPU系统 控制器部件、 1个存储器、 1个寄存器堆、 1个ALU 既存指令 又存数据 既算指令/数据地址, 又算数据 * 全部指令都是选用5个步骤完成，执行时间相同,但相邻指令的执行并不是完全串行的，执行时间有所重叠，例如每结束指令的一个执行步骤就启动下条指令，这被称为指令流水线技术， 所有部件都高速运行，尖峰速度每个 CPU时钟 执行一条指令，系统性能和资源利用率更高，显著地提高系统的性能价格比，但计算机结构和控制器的设计、实