10 指令系统
FAUNC系统G10指令和宏指令的应用
Ｆ Ｕ Ｃ Ｇ ０ ｎ ｔ ｕ ｔ ｏ ｓ ａ ｄ Ｍ ｃ ｏ Ａ ｐ ｃ ｔ ｏ Ａ Ｎ １ Ｉ ｓ ｒ ｃ ｉ ｎ ｎ ａ ｒ ｐ １ ａ ｉ ｎ ｉ
罗永华 罗永洪
Ｌ ｏ ｎｈ ａ ｕ ｎ ｈｎ ｕ Ｙｏ ｇ ｕ Ｌ ｏＹｏ ｇ ｏ ｇ
（ 昌大学科 学 技术学 院 ， 西 南 昌 ３０ ２ ） 南 江 ３０ ９
（ ｌ ｇ ｆ ｃ ｎ ｅ ｎ ｅｈ ｏｏ ｙ Ｎａ ｃ ａ ｇ ｉｅｓ ｙ Ｊ ｎ ｘ ｎ ｈ ｎ ３ ０ ９ Ｃｏｌ ｅｏ Ｓ ｉ ｃ ｄＴ ｃｎ ｌｇ ， ｎ ｈ ｎ ｖ ｒ ｔ ， ｉ ｇ ｉ ｃ ａ ｇ３ ０ ２ ） ｅ ｅ ａ Ｕｎ ｉ ａ Ｎａ
摘
要 ： 文 阐述 了在 数 控铣 床 或 加工 中心上 ， 过 实例 介 绍 了数控 铣 削加 工编 程 中运 用 Ｇ１ 令 和 本 通 ０指
值 １ （ ５ ０ ｍｌ。 ５ ２ —１ ） ｎ
第三刀刀补值取 ５ １ 一ｌ ） ｍ， （５ Ｏ ｍ 该值小 于半精
加 工 刀补 值 ， 明此刀不 需要 。 说
环切加工是利用 已有精加工刀补程序 ， 通过修 改刀具 半径补偿值 的方式 ， 控制刀具从 内向外或从 外 向内， 一层一层去除工件余量 ， 直至完成零件加
工。
由上述过程可知 ， 环切共需 ４ ， 刀 刀补值分别为
２ 、 ５ ６５ ６ ５ ｌ 、 ． 、 ｍｍ 。
参考程序如下 ：
％
Ｏ１１ １ １；
编 写环 切加 工程 序 ， 需解 决 三个 问题 ：
（） １环切刀具半径补偿值 的计算 。 （） ３ 如何在程序 中修改刀具半径补偿值 。
绣
８ ０
Ｌ２ ０
一
讲解 Ｃ 工件轮廓倒角有凸圆角、 凹圆角和斜角三种 ， 本 推 艾以球头刀刀具半径补偿铣削加工工件轮廓凸圆角 令
《指令系统》课件
不同的指令系统针对不同的应用领域进行优化，以满足各 种复杂的应用需求。
例如，针对高性能计算领域的处理器，其指令系统会更加 注重浮点运算和并行处理；针对嵌入式领域的处理器，其 指令系统会更加注重低功耗和实时性。
指令系统与其他技术的融合
随着技术的发展，指令系统与其他技术 的融合成为一种趋势。
为了减少访问主存的延迟，指 令系统使用缓存来存储经常访 问的数据和指令。通过缓存管 理技术，系统可以更快地访问 这些数据和指令。
为了降低能耗和提高能源效率 ，指令系统采用了一系列节能 技术，如动态电压调节、动态 频率调节、休眠模式等。
为了提高系统的安全性，指令 系统可以提供加密和解密功能 ，保护数据的机密性和完整性 。此外，还可以通过权限控制 和访问控制机制来限制对敏感 资源的访问。
03 指令系统的实现方式
汇编语言实现指令系统
汇编语言概述
汇编语言是一种低级语言，与机器语言有很高的相似度。 它使用助记符表示指令，易于理解和编写。
汇编指令系统
汇编语言中的指令系统通常与特定的处理器架构相关联， 包括算术、逻辑、控制和输入/输出指令。
汇编程序
汇编程序是一种将汇编语言代码转换为机器语言的编译器 。它逐条将汇编指令翻译为对应的机器码，并生成可执行 文件。
例如，与人工智能技术的融合，使得处 理器能够更好地支持人工智能算法和应 用；与网络技术的融合，使得处理器能 够更好地支持云计算和边缘计算等应用
。
通过与其他技术的融合，指令系统的功 能和应用领域得到了进一步拓展，同时
也促进了相关技术的发展和创新。
谢的任务， 确保各个任务按照预定的顺序或优先级执行 。
D
指令系统 简书
指令系统简书指令系统是计算机系统中用于控制计算机执行任务的硬件和软件的集合。
它包括控制器、寄存器和指令集等部分。
指令系统是计算机系统中的核心，它负责解析和执行程序指令，控制计算机各个部件协同工作。
本文将从指令系统的概述、组成与分类、发展与应用等方面进行详细介绍，并探讨我国指令系统技术的现状与展望。
一、指令系统概述指令系统是计算机硬件和软件之间的接口，它定义了计算机能够执行的基本指令和操作。
指令系统的设计关系到计算机的性能、功能和兼容性。
通过对指令系统的优化，可以提高计算机的运算速度和效率。
二、指令系统的组成与分类1.控制器：控制器是指令系统的核心部分，负责接收和解析指令，生成控制信号，协调计算机各部件的操作。
2.寄存器：寄存器用于存储和暂存指令、数据和状态信息。
计算机在进行运算和操作时，需要在寄存器之间传输数据。
3.指令集：指令集是计算机能够执行的全部指令的集合。
指令集的丰富程度和设计风格关系到计算机的功能和性能。
4.指令分类：指令可分为数据操作指令、程序控制指令、运算指令、传送指令、存储器指令等。
三、指令系统的发展与应用随着计算机技术的发展，指令系统也在不断演进。
从早期的单周期指令、流水线指令，到现代的多核处理器、并行计算等技术，指令系统在性能、功能和兼容性方面取得了显著的提升。
现代计算机系统中的指令系统已经越来越复杂，对于计算机工程师来说，设计和优化指令系统是一项极具挑战性的任务。
四、我国指令系统技术现状与展望在我国，指令系统技术的研究和应用取得了显著的成果。
我国已经研制出了一系列具有自主知识产权的处理器架构和指令集，如龙芯处理器、飞腾处理器等。
然而，与国际先进水平相比，我国指令系统技术仍有一定差距。
未来，我国指令系统技术发展将着重于以下几个方面：1.提高性能：通过指令级优化、处理器架构设计等手段，提高计算机系统的性能。
2.拓展功能：研发新型指令，增强计算机系统的功能，满足不断增长的應用需求。
指令系统的设计和优化
操作数的存储形式
存储器
CPU内什么地方
每条指令中显式说明的操作数个数
操作数的位置
操作类型
操作数的类型和长短
指令的分类
指令格式的优化
指令=操作码+地址码
指令格式的优化：如何用最短的位数来表示
指令的操作信息和地址信息，使程序中指
令的平均字长最短。
主要目标：
节省程序的存储空间
指令格式尽量规整，便于译码
PUSH A ;操作数a压入堆栈
PUSH B ;操作数b压入堆栈
MUL ;栈顶两数相乘,结果压回堆顶
PUSH C
ADD
PUSH D
SUB ;栈顶是分子运算的结果
PUSH E
PUSH F
ADD
DIV ;栈顶是最后运算的结果
POP X ;保存最后运算结果
关于地址码个数结论
＋0.01×6.644＝1.95（位）
0.45
0.30
0.15
0.05
0.03
0
0
0
0
1.00
0.55
1
0.25
1
0.01
0.01
0
1
0.02
0
1
0.05
1
0.10
1
指令序号 概率
I1
0.45
I2
0.30
I3
0.15
I4
0.05
I5
0..01
Huffman编码法
0
10
110
参数必须满足90%以上的使用频率。
指令系统概念
指令系统概念
指令系统是计算机系统中重要的一部分，它定义了计算机所能执行的操作和指令集。
指令系统通常由机器语言指令、寄存器、标志位等组成，是计算机硬件和软件之间的桥梁。
指令系统的设计将直接影响到计算机的性能、功能和易用性。
指令系统的设计需要考虑多方面的因素，如指令的复杂度、可扩展性、编码方式、操作数类型、寻址方式等。
指令的复杂度是指指令的长度和执行时间，可以通过优化指令流程和硬件设计来提高性能。
可扩展性是指指令系统能够添加新指令和扩展操作的能力，便于支持新的应用和技术。
编码方式是指指令在计算机中的二进制表示方式，需要考虑指令的长度和解码效率。
操作数类型是指指令所涉及的数据类型，如整型、浮点型、逻辑型等。
寻址方式是指指令取操作数的方式，可以是直接寻址、间接寻址、寄存器寻址等。
指令系统的设计也需要考虑到编程的易用性和可读性。
指令系统应该提供简单易用的指令和语法，方便程序员编写高效的代码。
同时，指令系统也需要提供良好的调试和错误处理机制，方便程序员诊断和修复错误。
总之，指令系统是计算机系统中重要的组成部分，它的设计需要综合考虑多方面的因素，以提高计算机的性能和易用性。
- 1 -。
北理工计算机体系结构习题解答
*1
32000 *
2
15000
*
2
8000
*
2)
*
(
40
1 *106
)
3.875*103秒
21
1-11 假设在一台40MHz处理机上运营200,000条指令旳目旳代码，程序主要
由四种指令构成。根据程序跟踪试验成果，已知指令混合比和每种指令所 需旳指令数如下：
指令类型
CPI
指令混合比
算术和逻辑
1
6
第1章 基础知识
仿真
用一种机器(A)旳微程序直接解 释 实 现 另 一 种 机 器 ( B) 旳 指 令 系 统，从而实现软件移植旳措施
被仿真旳机器称为目旳机，进行 仿真旳机器称为宿主机，解释微 程序机器称为仿真微程序
7
第1章 基础知识
并行性
指能够同步进行运算或操作旳特 征，它有两重含义：
40
第2章
（1）最优Huffman H=- ∑Pi×log2Pi
=0.25×2+0.20×2.322+0.15×2.737+ ……
=2.96
41
I10
I9
I8
I7
I6
I5
I4
I3
I2
0.02
0.03
0.04
0.05
0.08
0.08
0.10
0.15
0.20
1
1 0
0
0.05
0.09
1
0
1
0
0.17
原来存在旳事物或属性，从某个角 度看却好象不存在
软件兼容
程序能够不加修改地运营在各档机 器上，区别仅在于运营时间不同
3.2指令系统【7、8,9、10,11、12,13】
7、装载/存储状态寄存器指令LST 装载/存储状态寄存器指令
(1) LST ＃m, 操作数
直接/间接 直接 间接 寻址
操作数→状态寄存器 操作数 状态寄存器ST0(m=0)/ ST1(m=1) 状态寄存器 (2) 注意： 注意：
装载ST0时,该指令不影响 该指令不影响INTM, 装入 装入ARP的值 ① 装载 时 该指令不影响 的值 不送入ARB； 不送入 ； 装载ST1时, 装入 ② 装载 时 装入ARB的值 → ARP； 的值 ； 间接寻址指令中指定的下一个AR值不送入 值不送入ARP； ③ 间接寻址指令中指定的下一个 值不送入 ；
（1）格式：PAC ）格式： （2）根据 ）根据PM值确定是否移位及移位方式 值确定是否移位及移位方式 （3）【例】 ） PAC ；（PM=0，不移位） ；（ ，不移位） 执行前： 执行前：PREG=144h，ACC=23h ， 执行后： 执行后：PREG=144h，ACC=144h ，
NUAA-CAE-306教研室
见下pm移位说明00不移乘积送到clau或数据写数据总线不移位01左移1位移去二进制补码乘法产生的额外符号位产生q31格式的乘积10左移4位移去16位13位常数二进制补码乘法产生的额外4位符号位产生q31格式的乘积11右移1位把乘积定位使最多作128次乘法累加而不使累加器溢出
NUAA-CAE-306教研室
NUAA-CAE-306教研室
４、装载累加器低位并清除累加器高位指 令LACL (1) LACL 操作数
源操作数存入累加器低16位 源操作数存入累加器低 位；累加器高 16位清 。 位清0。 位清 (2) 不受 不受SXM影响，不移位。 影响，不移位。 影响
NUAA-CAE-306教研室
指令系统名词解析
指令系统名词解析指令系统是一种在计算机系统中使用的程序设计语言，用于向计算机发送指令并执行相应的操作。
以下是一些指令系统的常见名词解析：1. 指令（Instruction）：指示计算机执行特定操作的命令。
指令由操作码和操作数组成，操作码用于表示要执行的操作类型，操作数则指定了操作的对象或数据。
2. 指令集架构（Instruction Set Architecture）：一种计算机硬件与软件之间的接口规范，定义了计算机体系结构所支持的指令集合和操作方式。
3. 指令编码（Instruction Encoding）：指令在计算机存储器中的二进制表示形式。
指令编码通常使用位字段（bit field）来表示操作码和操作数。
4. 操作码（Opcode）：指令中用于表示操作类型的字段。
操作码定义了指令要执行的具体操作，例如加法、乘法、跳转等。
5. 操作数（Operand）：指令中用于指定操作对象或数据的字段。
操作数可以是寄存器、存储单元地址或直接的数据值。
6. 寄存器（Register）：用于存储指令执行过程中的临时数据和中间结果的存储设备。
指令可以直接操作寄存器中的数据，而无需通过主存访问。
7. 程序计数器（Program Counter）：也称为指令指针，用于指示下一条要执行的指令在存储器中的地址。
程序计数器在每次执行指令后更新。
8. 程序（Program）：包含一系列指令的有序集合，用于完成特定任务的计算机程序。
程序由开发人员编写，并通过指令系统来指导计算机执行。
9. 指令流水线（Instruction Pipeline）：一种提高指令执行效率的技术。
指令流水线将指令执行过程分为多个阶段，并允许多条指令同时在不同阶段执行，从而实现指令并行处理。
10. 中央处理器（Central Processing Unit，CPU）：负责执行计算机指令的主要硬件组件。
CPU包括指令执行单元、寄存器和控制单元等功能部件。
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指令系统的发展
指令系统的改进是围绕着缩小指令与高级语言的语义差异 以及有利于操作系统的优化而进行的.例如,科学计算中需 要浮点运算指令,高级语言中的IF语句,DO语句需要功能 较强的条件转移指令,为了便于程序嵌套,需要CALL指 令,RETURN指令,操作系统需要控制系统状态的特权指令 和多道程序,多处理机系统的专用指令
扩大寻址能力的方法:①通过增加字长来增加地址码的长度.例80386, 从16位扩展到32位.②采用地址扩展技术,用基地址加位移量来增加 地址码的长度.例8086使用了段寄存器,寻址范围从64K扩展到1M
为了便于处理字符数据和尽可能地充分利用存储空间一般机器的 字长是字节长度的1,2,4,或8倍
指令系统太复杂也会带来一些不利的因素,如设计周期长, 正确性难以保证,不易维护;此外,实验证明,在复杂指令系 统中,算术-逻辑运算,数据传送,转移和子程序调用等基本 指令是经常使用的,其他的复杂指令的利用率很低,于是,提 出了精简指令系统计算机(RISC).
3
指令格式
一条指令必须包含下列信息:
8
指令操作码的扩展
等长编码
简化硬件设计，减少指令译码时间 IBM 370 len（OP）=8 bits，256条指令
不等长编码
对于一部分不需要某个地址码的指令,把它们的 操作码扩充到该地址字段,这样既能充分利用指 令的各个字段,又能在不增加指令长度的情况下 扩展操作码的长度,使它能表示更多的指令.
I1 0 00 000 I2 10 01 001 I3 110 10 010
1 I4 1110 1100 011
I5 11110 1101 100 I6 111110 1110 101 I7 111111 1111 110
1.99 2.2 3 1% 11% 34%
平均码长L= (Pi*li) =2*(0.45+0.28+0.17)+4*(0.05+0.03+ 0.01+0.01)=2.2
（A4）=下一条指令地址
三地址格式：(A1)OP(A2)A3, (PC)+1PC 二地址格式：(A1)OP(A2)A1, (PC)+1PC 单地址格式：OP(A1)A1, (PC)+1PC 零地址格式：OP
5
指令格式
零地址指令
只有操作码,可能无需任何操作数,或所需的操作数是默认的
半字(地址 10)
半字(地址 8)
8
字节(地址 15) 字节(地址 14) 字节(地址 13) 字节(地址 12) 12
字节(地址 19) 字节(地址 18) 字节(地址 17) 字节(地址 16) 16
半字(地址 22)
字节(地址 21) 字节(地址 20) 20
20
存储器中数据的存放
有的计算机不要求对准边界,但可能增加访问存储 器次数例,访问指令所要求存取的数据(一个字),可 能在两个存储单元中,因此需要两次访问存储器, 而且还要对高低字节的位置进行调整.
I1 0.32
1
I4 001 3
平均码长L= (Pi*li) =2.40 冗余量=(2.40-2.352)/2.40*100%=2%
I5 0001 பைடு நூலகம் I6 0000 4
(3-2.352)/3*100%=21.6%
17
指令长度与字长的关系
字长是指计算机能直接处理的二进制数据的位数
字长决定了计算机的运算精度 地址码长度决定了指令直接寻址能力
样化 为了减少软件的开发费用,希望软件兼容,出现了系列机,例
如IBM 360系列,PDP-11系列,现在的微机也是如 此,8086,286,386,486,Pentium. 一个系列有多种型号, 各型号的组织和性能可以有很大差异,系列机解决软件兼 容问题的必要条件是该系列机有共同的指令集,而且新机 种的指令系统一定包含旧机种的所有指令
15条三地址指令 15条二地址指令 15条单地址指令 16条零地址指令
10
8/64/512扩展法
机器字长位16位，设计一个具有8条三地址指令、 64条双地址指令、512条单地址指令和8192条零 地址指令的指令系统。(保留一位标志位)
OP A1 A2 A3 0…0…00 XXXX XXXX XXXX 0111 XXXX XXXX XXXX 1…00…0 0…00…0 XXXX XXXX 1011 1111 XXXX XXXX 1100 0…00…0 0…00…0 XXXX 1101 1111 1111 XXXX 1110 0…00…0 00…00… 0…00…0 1111 1111 1111 1111
8条三地址指令 64条二地址指令 512条单地址指令 8192条零地址指令
11
Huffman 编码法
基本思想 指令使用频度的不一致性；
信息量的概念 定义：信息量=－log2Pi (比特), Pi位信息出现 的概率. 指令Ii在n条指令组成的程序中的信息量为： （－ n*Pi*Log2Pi） m条指令组成的指令系统，在该程序中的全部
注释
Y←A Y←Y－B T←D T←T×E T←T＋C Y←Y÷T
指令
LOAD D
MPY
E
ADD C
STOR Y
LOAD A
SUB
B
DIV
Y
STOR Y
(c)单地址指令
AC为累加器
注释 AC←D AC←AC×E AC←AC＋C Y←AC AC←A AC←AC－B AC←AC÷Y Y←AC
7
指令格式
配的码长。
实现：
按概率分布情况，构成一棵Huffman树，然后从树根 沿着树枝到达信息单元（指令出现的概率点），在每个 分枝上、下（或左、右）写上0和1，直到全部编码完 毕；
指令编码为：从树根开始，沿着树枝写出各个信息单元 的全部代码。
13
指令操作码的扩展举例Ⅰ
某机器共有7条指令，其使用统计频度如下，求出该系统 的平均信息量（最短平均码长），若采用定长编码，则系 统的信息冗余量为多少？
Lecture 5 指令系统
指令格式 指令操作码的扩展 RISC的特点
计算机科学与工程学院
指令系统的发展
指令：指示计算机完成特定功能的命令 指令系统：一台计算机的指令格式及其所有指令的集合 分立元件的计算机指令系统较简单，指令少，寻址方式简
单 集成电路的计算机指令多达一,二百条,寻址方式也趋于多
19
存储器中数据的存放
目前计算机所用的数据字长一般为32位 为便于硬件实现,一般要求多字节数据对准边界,如下图.当所存
数据不能满足此要求时,则填充一个至多个空白字节. 半字地址的最低位恒为0,字地址的最低两位恒为00,双字地址
的最低三位恒为000.
地 址
字(地址 0)
0
字(地址 4)
4
6
指令格式
完成Y=(A－B)÷(C＋D×E)
指令 SUB Y, A, B MPY T, D, E ADD T, T, C DIV Y, Y, T (a)三地址指令
注释
Y←A－B T←D×E T←T＋C Y←Y÷T
指令 MOVE Y, A SUB Y, B MOVE T, D MPY T, E ADD T, C DIV Y, T (b)二地址指令
多地址指令
用于字符串处理指令,向量,矩阵运算指令
一般小型,微型计算机采用零地址,一地址,二地址 指令;大型,中型计算机采用二地址,三地址,多地 址指令
虽然,指令和数据都以二进制形式存储,但指令的 地址由程序计数器(PC)规定的,而数据的地址由指 令规定的,在CPU的控制下访存绝对不会将指令和 数据混淆.为了程序能重复执行,一般要避免对指 令的修改.有些计算机发现修改指令,则按出错处 理
信息量为：（ － n*Pi*Log2Pi ），i=1…m
系统平均信息量（熵）H=全部信息量/n=
( -Pi*Log2Pi )，(比特)
12
Huffman 编码实现
对出现频度高的信息单元，用较短的位数表示， 从而达到构成的指令系统的平均码长最短。即： L= (Pi*li) 其中，Pi为指令出现的概率， li为指令分
冗余量=(2.2-1.99)/2.2*100%=9.5%
15
指令操作码的扩展举例Ⅱ
某机器共有6条指令，其使用统计频度如下，求出该系统 的平均信息量（最短平均码长），若采用定长编码，则系 统的信息冗余量为多少？
指令 使用频度
I1 0.32 I2 0.22 I3 0.18
解：H=( -Pi*Log2*Pi )=2.352 BITS 采用定长编码，则需要3位码长
指令的长度主要取决于操作码的长度,操作数地址的长度 和操作数地址的个数.由于操作码的长度,操作数地址的长 度及指令格式不同,各指令的长度不是固定的.
指令的长度与机器的字长没有固定的关系,指令长度可以 小于或等于字长,也可以大于字长.
18
指令系统中的操作数类型
数值：计算机中的数值是受限的,程序员必须理解 舍入,上溢与下溢的意义
操作码:操作的性质和功能 操作数的地址 操作结果的地址 下一条指令的地址
总之,指令中包含操作码和地址码
4
指令格式
地址码的设计
四地址格式：(实际不用)
OP A1
A2
A3
A4
操作码 第1操作数地址 第二操作数地址 结果操作数地址 下一条指令地址
（A1）OP（A2） A3
I4 0.16 I5 0.08 I6 0.04
故，信息冗余=(3-2.352)/3*100% =21.6%
16
指令操作码的扩展举例Ⅱ
I6 0.04 0 I5 0.08 1 0