[工学]“计算机组成与系统结构”第4章 2009.ppt

上海交通大学网络教育学院 计算机组成与系统结构 上海交通大学 网络教育学院 陈泽宇 博士 副教授 第1章 计算机系统概论 第2章 运算方法和运算器 第3章 存储系统 第4章 指令系统 第5章 中央处理器（CPU） 第6章 总线系统 第7章 输入输出（I/O）系统 第8章 并行计算机系统 第4章 指令系统 4.1 指令系统概述 4.2 指令格式 4.3 指令分类 4.4 寻址方式 4.5 指令系统实例 4.1 指令系统概述 4.1.1 指令系统的发展 4.1.2 指令系统的性能要求 4.1.1 指令系统的发展 指令是计算机硬件能够识别并直接执行操作的命令 一台计算机中所有指令的集合构成了该机的指令系统 指令系统是表征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 设计一个合理有效、功能齐全、通用性强、丰富的指令系统是至关重要的 从计算机组成的层次结构来说，计算机的指令分为微指令、机器指令和宏指令三类 微指令是微程序级的命令，属于硬件 宏指令是由若干条机器指令组成的软件指令，属于软件 机器指令，也就是我们通常所说的指令，介于微指令与宏指令之间，每条指令可完成一个独立的算术运算或逻辑运算操作 指令系统的发展经历了从简单到复杂的演变过程 1950至60年代，分立元件(晶体管或电子管)计算机的硬件结构简单，所支持的指令系统只有十几至几十条最基本的指令，而且寻址方式简单 1960年代中期，集成电路计算机的硬件功能不断增强，其指令系统也越来越丰富 1960年代后期，基本指令系统相同、基本体系结构相同的系列计算机开始出现，从而解决了各机种的软件兼容问题 同一系列的各机种具有共同的指令集，而且新推出的机种其指令系统一定包含旧机种的全部指令 1970年代，高级语言成为主要程序设计语言，计算机应用日益普及 计算机设计者增设了各种各样复杂的、面向高级语言的指令，使指令系统越来越庞大 称为复杂指令系统计算机（Complex Instruction Set Computer），简称CISC 不仅使计算机研制开发周期变长，正确性难以保证，调试维护困难，而且大量使用频率很低的复杂指令造成了硬件资源的浪费 人们提出了精简指令系统计算机（Reduced Instruction Set Computer），简称RISC 选取使用频率最高的一些简单指令，指令条数少； 指令长度固定，指令格式种类少，寻址方式种类少； 只有取数/存数指令访问存储器，其余指令的操作都在寄存器之间进行 4.1.2 指令系统的性能要求 1. 完备性 2. 有效性 3. 规整性 4. 兼容性 指令系统的性能决定了计算机的基本功能 一个完善的指令系统应满足四个方面的要求： 完备性、有效性、规整性、兼容性 1. 完备性 指令系统的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 一台计算机中必不可少的最基本的指令构成了指令系统的完备性 而其他一些指令则可以通过基本指令来实现，或者直接通过硬件来实现 在指令系统中采用硬件指令，可以提高程序执行速度，也便于用户编写程序 2．有效性 有效性是指利用指令系统提供的指令而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 通常，一个功能完善的指令系统必定有很好的有效性 3．规整性 规整性是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 指令的对称性是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 这对提高程序的可读性、简化程序设计带来便利 指令的匀齐性是指一种操作性质的指令可以支持各种数据类型 例如，算术运算指令可支持字节、字和双字整数运算，十进制数运算，单、双精度浮点运算等 因此，程序设计者在选用指令时无须考虑数据类型，可提高编程效率 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 4．兼容性 兼容性是指计算机的体系结构设计基本相同，计算机之间具有相同的基本结构、数据表示和共同的基本指令集合 因此指令系统也是兼容的，即同一个软件可以不加修改就在其他系统结构相同的机器上使用 做到所有软件都完全兼容是不可能的 目前，对于同一系列的计算机，新推出机种的指令系统通常包含旧机种的全部指令，实现了“向上兼容”，即低档机上运行的软件不需任何修改便可在高档机上运行 4.2 指令格式 4.2.1 操作码 4.2.2 地址码 4.2.3 指令字长度 4.2.4 指令助记符 机器指令是用机器字来表示的 表示一条指令的机器字称为指令字（简称指令） 指令格式是指令字用二进制代码表示的结构形式，一般由两部分组成 操作码（Operatio