第十三讲 指令系统.ppt

第十三讲 指令系统 本讲主要内容 从计算机组成的层次结构来说，计算机的指令有微指令、机器指令和宏指令之分。 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。 2、对指令系统的要求 完备性：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。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：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。 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。 3、低级语言与 硬件的关系 计算机语言有高级语言和低级语言之分。 高级语言如C，FORTRAN等，其语句和用法与具体机器的指令系统无关。 低级语言分机器语言(二进制语言)和汇编语言(符号语言)，这两种语言都是面向机器的语言，它们和具体机器的指令系统密切相关。 二、 操作数类型和操作种类 三、 寻 址 方 式 四、 指令格式举例 例1：某机器字长16位，存储器直接寻址空间为128字，变址时的位移量为-64~+63，16个通用寄存器均可作为变址寄存器。设计一套指令系统格式，满足下列寻址类型的要求。 （1）直接寻址的二地址指令3条。 （2）变址寻址的一地址指令6条。 （3）寄存器寻址的二地址指令8条。 （4）直接寻址的一地址指令12条。 （5）零地址指令32条。 试问还有多少种代码未用？若安排寄存器寻址的一地址指令，还能容纳多少条？  例2：设某机配有基址寄存器和变址寄存器，采用一地址的指令系统，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。 （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。 （2）若存储器字长不变，可采用什么方法直接访问容量为16MB的主存？ 例3：某模型机共有64种操作，操作码位数固定，且具有以下特点： （1）采用一地址或二地址格式。 （2）有寄存器寻址，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均在寄存器中，结果也在寄存器中。 （4）取数/存数指令在通用寄存器和存储器之间传送数据。 （5）存储容量为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，并简述理由。 例4：设某机器共能完成110种操作，CPU有8个通用寄存器（16位），主存容量为4M字，采用寄存器-存储器型指令。 （1）欲使指令可直接访问主存的任一地址，指令长度应取多少？画出指令格式。 （2）若在上述设计的指令字中设置一寻址特征位X，且X=1表示某个寄存器作基址寄存器，画出指令格式。试问基址寻址可否访问主存的任一单元？为什么？如果不能，提出一种方案，使其可以访问主存的任一位置。 （3）若主存容量扩大到4G字，且存储字长等于指令字长，则在不改变上述硬件结构的前提下，可采用什么方法使指令可访问存储器的任一位置？ 五、 RISC 技 术 存储器中的数据存放（存储字长为 32 位） 地址（十进制） 0 4 8 12 16 20 24 28 32 36 双字 双字（地址32） 双字 双字（地址24） 半字（地址20） 半字（地址22） 半字（地址16） 半字（地址18） 字节（地址 8） 字节（地址 9） 字节（地址10） 字节（地址11） 字（地址 4） 字（地址 0） 字节（地址14） 字节（地址15） 字节（地址13） 字节（地址12） 边界对准 地址（十进制） 0 4 8 字节( 地址7) 字节( 地址6) 字( 地址2) 半字( 地址10) 半字( 地址8) 半字( 地址0) 字( 地址4) 边界未对准 ▲ ▲ 三、操作类型 1. 数据传送 源 目的 寄存器 寄存器 寄存器 寄存器 存储器 存储器 存储器 存储器 置“1”，清“0” 2. 算术逻辑操作 加、减、乘、除、增 1、减 1、求补、浮点运算、十进制运算 与、或、非、异或、位操作、位测试、位清除、位求反 如 8086 MOVE STORE LOAD MOVE PUSH POP 例如 MOVE MOVE ADD SUB MUL DIV INC D