计算机原理精品教学（华南理工大学）3-1-1 指令系统.pptVIP

第3章 指令系统 3.1 指令格式 3.2 寻址技术 3.3 堆栈与堆栈操作 3.4 指令类型 3.5 指令系统的发展 裸机 软件 指令系统 指令系统概述 计算机的指令按计算机组成的层次结构可分为 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（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逻运算操作 指令——指计算机执行某些操作的命令。 指令系统——一台计算机中所有指令的集合。 指令系统在计算机系统中的地位 它是表征计算机性能的重要因素 它直接影响到硬件结构、系统软件和机器的适用范围 是硬件和软件间的界面。 指令系统的发展 年代 硬件发展 指令系统 1950至60年代 分立元件 (晶体管或电子管) 硬件结构简单 只有十几至几十条最基本的指令，定点加、减法，逻辑运算，转移指令和传送指令 1960年代中、后期 集成电路的出现，硬件功能增加 指令系统越来越丰富(100~200条) 出现系列计算机，它可解决软件兼容问题 1970年代 VLSI 指令系统越来越庞大（200~300条）高级语言成为主要程序设计语言， 出现复杂指令系统计算机CISC、精简指令系统计算机RISC 3.1 指令格式 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， 操作码（Operation Code）字段 表征指令的操作特性与功能 地址码（Address Code）字段 通常用来指定参与操作的操作数或操作数地址 操作码 地址码 按地址码的数量，指令格式分为 四地址指令： (A1) OP (A2)→A3, A4=下条指令地址 三地址指令： (A1) OP (A2)→A3 二地址指令 　 (A1) OP (A2)→A1 一地址指令 OP (A1)→A1 或 (AC) OP (A1)→Ac 零地址指令 地址码结构 OP A1 A2 A3 OP A1 A2 OP A1 OP AC为累加器 OP A1 A2 A3 A4 地址个数的选取需考虑的因素 缩短程序长度 用户使用方便，增加操作并行度等方面来看，选用三地址指令格式较好； 缩短指令长度 减少访存次数，简化硬件设计等方面来看，一地址指令格式较好。 解决同一个问题的程序长度 用三地址指令编写的程序最短，但指令长度最长， 用二、一、零地址指令来编写程序，程序的长度一个比一个长，但指令的长度一个比一个短。 操作码 操作码 表示该指令进行什么性质的操作 表征指令的操作特性与功能。 操作码所占的二进制位数决定了一台计算机所能允许的指令条数。 如操作码占用六位二进制码时，这台计算机最多允许有： 26＝64 条指令 操作码 地址码 规整型（定长编码） 操作码的位数固定不变，而且集中放在指令字的一个字段中。 设指令系统共有m条指令，操作码字段的位数为N位，则有： N≥log2 m 特点—— 有利于简化硬件设计，减少指令译码时间，但存在着信息冗余。 广泛用于字长较长的大、中型计算机和超级小型计算机中 操作码的编码 操作码 地址码 定长编码的指令格式举例 如：IBM370和VAX﹣11系列机中, 操作码的长度都是8位，可表示256条指令，但实际仅有183条指令。 OP OP OP OP OP 非规整型（变长编码） 是操作码扩展技术的应用，即操作码的长度是可变的，且分散地放在指令的不同字段中。 特点—— 有利于压缩程序中操作码的平均长度， 操作码字段的位数和位置不固定将增加指令译码和分析的难度，使控制器的设计复杂化。 在字长较短的小、微型机中被广泛应用。 如：PDP－11（字长16位），其操作码的长度均是可变的。 操作码的编码 操作码 地址码 变长编码的指令格式举例 如：PDP－11（字长16位），其操作码的长度均是可变的。 OP OP OP OP OP OP OP OP 操作码扩展技术 这是一个16位字长的指令码，包括 4位基本操作码字段 三个4位长的地址字段。 4位基本操作码若全部用于三地址指令，则有16条。 显然，4位基本操作码是不够的，必须向地址码字段扩展操作码的长度。 OP A1 A2 A3 4位 4位 4位 4位 操作码扩展技术 0000 A1 A2 A3 0001 A1 A2 A3 …… …… …… …… 1110 A1 A2 A3 1111 A1 A2 A3 OP A1 A