计算机组成原理课件.ppt

第四章指令系统4.1指令系统的发展与性能要求4.2指令格式4.3操作数类型1

4.1指令系统的发展与性能要求4.1.1指令系统的发展4.1.2对指令系统性能的要求4.1.3低级语言与硬件结构的关系2

4.1.1指令系统的发展指令系统基本概念指令：就是要计算机执行某种操作的命令。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：由若干条机器指令组成的软件指令，它属于软件；机器指令：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。3

4.1.2对指令系统性能的要求完备性：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。一台计算机中最基本、必不可少的指令是不多的。许多指令可用最基本的指令编程来实现。例如，乘除运算指令、浮点运算指令可直接用硬件来实现，也可用基本指令编写的程序来实现。采用硬件指令的目的是提高程序执行速度，便于用户编写程序。有效性：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：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。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；匀齐性是指：一种操作性质的指令可以支持各种数据类型，如算术运算指令可支持字节、字、双字整数的运算，十进制数运算和单、双精度浮点数运算等；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。例如指令长度和数据长度通常是字节长度的整数倍。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。但由于不同机种推出的时间不同，在结构和性能上有差异，做到所有软件都完全兼容是不可能的，只能做到“向上兼容”，即低档机上运行的软件可以在高档机上运行。4

4.1.3低级语言与硬件结构的关系低级语言与高级语言关系5

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

4.2.5指令格式举例

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4.2.1操作码设计计算机时，对指令系统的每一条指令都要规定一个操作码。指令的操作码OP表示该指令应进行什么性质的操作，如进行加法、减法、乘法、除法、取数、存数等等。不同的指令用操作码字段的不同编码来表示，每一种编码代表一种指令。组成操作码字段的位数一般取决于计算机指令系统的规模。较大的指令系统就需要更多的位数来表示每条特定的指令。等长（指令规整，译码简单）例如IBM370机，该机字长32位，16个通用寄存器R0～R15，共有183条指令；指令的长度可以分为16位、32位和48位等几种，所有指令的操作码都是8位固定长度。固定长度编码的主要缺点是：信息的冗余极大，使程序的总长度增加。7

4.2.2地址码根据一条指令中有几个操作数地址，可将该指称为几操作数指令或几地址指令。三地址指令二地址指令单地址指令零地址指令8

4.2.2地址码三地址指令指令格式：操作码OP??第一操作数A1??第二操作数A2?????结果A3功能描述：(A1)OP(A2)→A3(PC)+1→PC这种格式虽然省去了一个地址，但指令长度仍比较长，所以只在字长较长的大、中型机中使用，而小型、微型机中很少使用。9

4.2.2地址码二地址指令其格式如下：操作码OP第一操作数A1第二操作数A2???功能描述：(A1)OP(A2)→A1(PC)+1→PC二地址指令在计算机中得到了广泛的应用，但是在使用时有一点必须注意：指令执行之后，A1中原存的内容已经被新的运算结果替换了。10

4.2.2地址码一地址指令指令格式为：操作码OP????第一操作数A1功能描述：(AC)OP(A1)→A1(PC)+1→PC单操作数运算指令，如“+1”、“-1”、“求反”指令中给出一个源操作数的地址11

4.2.2地址码零地址指令其格式为：操作码OP“停机”、“空操作”、“清除”等控制类指令12

4.2.3指令字长度概念指令字长度（一个指令字包含二进制代码的位数）机器字长：计算机能直接处理的二进制数据的位数。