计算机组成原理第四章 第1讲 指令系统的发展与性能要求
《计算机组成原理》第4章jc
第4章指令系统
教学要求
了解指令系统的发展与性能要求；低级语言与硬件结构之间的关系；指令的格式；指令和数据的寻址方式；典型指令中的基本指令系统。
理解寻址的概念；掌握指令的种类；掌握指令格式和寻址方式的原理。
教学重点
指令格式；
扩展操作码；
寻址方式；
指令种类；
指令执行方式。
教学难点
指令格式的理解；扩展操作码的思路；指令执行的方式。
课时安排
本章安排8课时。
教学大纲
1．计算机的指令系统的发展与性能
2．指令的格式
3．寻址方式
4．指令的分类
5．微程序控制下的指令执行过程
主要概念
指令
指令格式
地址
寻址方式
指令种类
微地址
微指令
微程序
指令执行方式
微程序控制下指令执行过程
RISC和CISC。
计算机组成原理 第4章指令系统
• 位移量：可以是0，1，2，4个字节 • 立即数：可以是0，1，2，4个字节
操作码 Mod Reg或操作码 R/M S I B 位移量 立即数
4.3 指令和数据的寻址方式
寻址技术：指的是指令按什么方式寻找（或访问）到 所需的操作数或信息。它影响主存规模速度及存取方 式。寻址方式对应用程序员是透明的。 寻址方式：采用地址指定方式时，形成操作数地址
指令前缀 段取代 操作数长度取代 地址长度取代
4.2.6 Pentium指令格式
• 操作码是必须的，1～2个字节 • Mod、Reg、R/M为共1个字节，是可选的。 – mod-R/M指定的操作数是在R中还是在M中。 – mod（2位）R/M（3位）的32种值构成了8种 寄存器方式和24种变址方式（参考汇编语言 教材）； – Reg或OP（3位）指定另一个操作数（寄存 器）或用作OP的补充。
AC
0011 0010
0001
200H
ALU
2. 立即寻址（Immediate Addressing）
特点：地址字段指出的不是操作数地址，而是
操作数本身。
优点：无需访问内存，指令的执行时间很短。 缺点：操作数的范围受限。 适用范围：用于操作数固定的指令中，主要用于 给寄存器或存储器赋初值。 例：MOV AL，13H AL 13H FFH 13H
程序要执行的下条指令地址不是由PC给出，而是由 本指令的地址码给出。 用途：实现程序转移或构成循环程序。
二、操作数寻址方式
例：一种单地址指令的结构如下：
操作码 OP 变址 X 间址 I 形式地址 D
形式地址(D)：偏移量，逻辑地址，指令中给出的地址。 有效地址(E)：真实地址，物理地址，用形式地址并结 合某些计算规则求出来的地址。 寻址方式特征位：指出是何种寻址方式。
第四章计算机组成原理 指令系统
第15页
第四章
指令系统
• 使用二地址指令编写的程序，其指令在内存中也要依次存 放，才能用程序计数器自动增量使之顺序执行。若程序发生 转向时，也必须用转移指令改变程序的执行顺序。
• 当二地址指令执行之后，A1中的内容被修改了。
有的机器规定A2为目的地址，这时则是A2的内容被修改了。 • 若地址字段均为主存地址，则完成一条二地址指令也需四 次访问存储器。 【例】 汇编指令中： MOV ADD AX，BX CX，[2000H]
第14页
第四章
指令系统
(2) 二地址指令
OP A1 A2 指令格式： OP：操作码； A1：既作第一操作数地址，又作目的地址；
A2：第二操作数地址。 操作：（A1） OP（A2） → A1 • 有的机器也表示（A1） OP（A2） → A2， A2既作第一操作 数地址，又作目的地址； • 在不改变字长和操作码位数的前提下，二地址指令可直接 访问的主存地址数为： 212=4K
1111 1111
1111
1111 1111
1111
1111 1111
1111
0000 0001
1111
16
零
除了这种安排外，还有多种其它安排方法。如：形成15条 三地址指令，12条二地址指令，31条一地址指令，16条零地址 指令，共74条指令。实际的机器可以采用各种灵活的扩展方式， 其思路与此类似。
第四章
指令系统
1. 简单了解指令系统的发展和性能要求； 2. 掌握指令的一般格式； 3. 掌握寻址方式，指令分类和功能；
本章要求：
4. 能熟练分析指令系统模型和设计简单要求的指令系统。
第1页
第四章
指令系统
4.1 指令系统的发展与性能要求
计算机组成原理第四章指令系统
计算机组成原理第四章指令系统4.1 指令系统的发展与性能需求4.1.1指令系统的发展程序：计算机的程序是由一系列的机器指令组成的。
指令就是计算机执行某种操作的命令。
这里某种操作其实很有意思啊20世纪50年代，所支持的指令系统只有定点加减，逻辑运算、数据传送、转移等十几至几十条指令。
60年代后期，除以上基本指令，还设置了乘除运算、浮点运算、十进制运算、字符串处理，指令数目多达几百条，寻址方式也趋多样化计算机的指令有微指令、机器指令和宏指令。
微指令：微程序级的命令，属于硬件。
宏指令：若干条机器指令组成的软件指令，属于软件。
机器指令：介于微指令和宏指令之间，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算术逻辑运算操作。
4.1.2指令系统的性能要求完备性指令系统丰富、功能齐全、使用方便。
有效性该指令系统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。
规整性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有的基本指令集，因而指令系统是兼容的，即各机种上基本软件可以通用。
4.2 指令格式机器指令机器指令是机器字来表示。
表示一条指令的机器字，就称为指令字，通常简称指令。
指令格式，则是指令字用二进制代码来表示的结构形式，通常由操作码字段和地址码字段组成。
一条指令的结构如下形式来表示：操作码字段OP 地址码字段A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。
操作码字段应该执行怎样的操作？加法，减法，乘法，除法，取数，存数等等。
一般来说，一个包含n位的操作码最多能表示2n条指令。
地址码有几个操作数地址，称为几操作数或几地址指令。
在早期，一般操作数有被操作数、操作数和操作结果这三种数，所以就形成了三地址指令格式。
后来发展成二地址格式、一地址格式和零地址格式。
（1）零地址指令：只有操作码，没有地址码。
（2）一地址指令只有一个地址码，指定一个操作数，另一个操作数是隐含的。
计算机组成原理--第四章
（4）三地址指令格式：
操作数地址
成果地址
功能：
(A1) OP (A2) → A3
4.2.3 指令字长度
指令字长度：一种指令字中包括二进制代码旳位数。机器字长：计算机能直接处理旳二进制数据旳位数，它决定了计算机旳运算精度。根据指令字长与机器字长关系将指令分为：单字长指令。半字长指令。双（多）字长指令。一种指令系统根据指令字长可分为：变长指令格式固定长指令格式指令助记符：指令代码旳符号化。不同计算机助记符要求不同；助记符必须转换成代码机器才可辨认。
设计措施：不同旳指令用（操作码字段）不同编码表达，操 作码旳位数与指令规模有关。
4.2.2 地址码
（1）零地址指令格式：
OP
这种指令字不含地址码字段，有两种可能： 不需要操作数旳指令； 所需操作数都是隐含指定。
根据指令中有几种操作数可提成三地址、二地址、一地址和零地址几种构造形式。
15 10 7 4 3 0
位移量（16位）
第四章 指令系统
4.3.1 一般旳数据类型
地址数据数值数据字符数据逻辑数据
第四章 指令系统
存储器数据读写方式：地址指定方式、相联存储方式和堆栈存取方式。寻址方式：地址指定方式中，形成操作数或指令地址旳方式。
指令：
D是操作数。
OP X A（EA）
（3） 直接寻址
指令直接给出操作数地址，根据该地址可从主存单元中读取操作数。寻址过程可描述为：
指令
操作数D
也可表达为：D=（A）
主存
寻址方式
（4）、间接寻址
指令给出存储操作数地址旳主存单元地址，即操作数旳间接地址。寻址过程可描述为：
指令
寻址速度快可降低一种操作数地址旳位数
指令系统的发展与性能要求
4.1.1指令系统的发展 计算机的程序是有一系列的机器指令组成的。 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：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：介于微指令和宏指令之间，通常简称为指令，每一 条指令可以完成一个独立的算术运算或逻辑运算操作。 一台计算机中所有机器指令的集合，称为这台计算机的 指令系统。指令系统是表征一台计算机性能的重要因素，它的 格式与功能不仅直接影响到机器的硬件结构，而且也直接影响 到系统软件，影响到机器的适用范围。
4．2．4 指令助记符
由于硬件只能识别1和0，所以采用二进制操作码是必要的，但是我们 用二进制来书写程序却非常麻烦。为便于书写和记忆而设定的，与机 器指令一一对应。每条指令通常用3个或4个英文缩写字母来表示。这
种缩写码叫做指令助记符。
指令助记符由汇编程序转换成它们相对应的二进制操作码。 不同的计算机中，指令助记符的规定是不一样的。 当指令的操作码用助记符表示，而地址及其寻址特征也用符号表 示时，就成为汇编语言，这些符号称为汇编符号，用汇编符号表示的 指令格式，就称为汇编格式。
的指令系统密切相关。ห้องสมุดไป่ตู้
机器语言用指令代码编写程序，而符号语言用指令助记符
来编写程序。
高级语言和低级语言的异同可参考表4.1。
计算机能够直接识别和执行的唯一语言是二进制语言， 但人们采用符号语言或高级语言编写程序。为此，必 须借助汇编程序或编译程序，把符号语言或高级语言 翻译成二进制码组成的机器语言。 汇编语言依赖于计算机的硬件结构和指令系统。 不同的机器有不同的指令，所以用汇编语言编写的程 序不能在其他类型的机器上运行。 高级语言与计算机的硬件结构及指令系统无关， 在编写程序方面比汇编语言优越。但是高级语言程序 “看不见”机器的硬件结构，不能用于编写直接访问机 器硬件资源的系统软件或设备控制软件。为此，一些 高级语言提供了与汇编语言之间的调用接口。用汇编 语言编写的程序，可作为高级语言的一个外部过程或 函数，利用堆栈来传递参数或参数的地址。
计算机组成原理第四章总结
计算机组成原理第四章一指令系统的发展和性能要求1 计算机指令有微指令，机器指令和宏指令之分。
机器指令又简称指令，每一条指令可以完成一个独立的算术运算和逻辑运算。
一台计算机的所有机器指令的集合称为这台计算机的指令系统。
2 CISC：复杂指令系统计算机；RISC：精简指令系统计算机。
3 一个完善的指令系统应该满足如下四个方面的要求：完备性，有效性，规整性，兼容性。
二指令格式2 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，一般来说，一个包含n位的操作码最多能够表示2n条指令。
4二地址指令格式中，从操作数的物理位置来说可以分为SS，RR，RS型。
5了解典型的指令格式：八位微型机的指令格式；PDP/11系列机指令格式；Pentium指令格式。
三操作数类型了解一般数据类型，Pentium数据类型，Power PC数据类型一般数据类型：地址数据，数值数据，字符数据，逻辑数据。
四指令和数据的寻址方式1 形成操作数或指令地址的方式成为寻址方式，其主要包括指令寻址方式和数据寻址方式。
2 指令寻址方式：顺序寻址方式和跳跃寻址方式，3 操作数的基本寻址方式：隐含寻址，立即寻址，直接寻址，间接寻址，寄存器寻址，寄存去间接寻址，偏移寻址，段寻址方式，堆栈寻址等。
各个寻址方式图示如下：4 寻址方式举例：Pentium寻址方式和Power PC寻址方式。
五典型指令1 指令的分类：数据处理，数据存储，数据传送，程序控制等。
具体有：数据传送指令，算术运算指令，逻辑运算指令，程序控制指令，输入输出指令，字符串处理指令，特权指令，其他指令。
2 RISC特点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；只有存取数指令访问存储器，其余指令的操作都在寄存器之间进行。
第四章 指令系统
4．2．2 地址码 ． ．
1．三地址指令 OP Ad1 Ad2 Ad3 Ad1 为被操作数地址，又称源操作数地址；Ad2 也为操作数地址， 又称目的操作数地址； Ad3 为结果存放地址。 操作表达式：（Ad1）OP（Ad2）→ Ad3。 例：ADD R1，R2，R3，功能：（R1）+（R2）→ R3 2．双地址指令 OP Ad1 Ad2
12
4．2．5 指令格式 ． ．
3．Pentium 指令格式 Pentium 机指令字长度可变，长度为 1 ~ 12 字节，可以带有指令前 缀，指令格式如下：
0 ~ 4B 1 ~ 2B 0 ~ 1B 0 ~ 1B 0 ~ 4B 0 ~ 4B
指令前缀 操作码 Mod Reg R / M 比例 S 变址 I 基址 B 位移量 立即数
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，以及指令系统的兼容性。 对称性——指令系统中寄存器和存储器单元可同等对待，指令和 操作数可使用各种寻址方式。 匀齐性——指一种操作性质的指令可以支持各种数据类型； 一致性——指令长度和数据长度有一定关系，便于处理和存取。 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，相互兼容，各机种上基本软件可以通用。可实现 “向上兼 容”，即高档机可运行低档机软件。
2
4．1．1 指令系统的发展 ． ．
2．指令系统的发展过程 40 年代——手编程序，50 年代——高级语言，60 年代——操作 系统，70 年代——软件工程和数据库，80 年代——软件开发环境，复 杂指令集计算机（CISC），90 年代——图形界面操作系统、辅助工程、 局域网络技术、多媒体技术，精简指令集计算机（RISC），00 年代— —并行处理、分布式系统和全球网络化结构。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
4.1 指令系统的发展与性能要求
6、计算机语言与硬件结构的关系
• 什么是程序设计？ • 程序设计所使用的工具-计算机语言 • 计算机高级语言产生的基础 • 机器语言与指令系统密切相关
在指令系统基础上产生机器语言 机器语言的助记符形式即汇编语言
• 指令系统直接操作硬件 • 高级语言的硬件无关性
4.1 指令系统的发展与性能要求
兼容性：
• 为系列机提供支持：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。
4.1 指令系统的发展与性能要求
Hale Waihona Puke 一台计算机中所有机器指令的集合，称为这 台计算机的指令系统。
• 指令系统是表征一台计算机性能的重要因素， 它的格式与功能不仅直接影响到机器的硬件 结构，而且也直接影响到系统软件，影响到 机器的适用范围。
4.1 指令系统的发展与性能要求
系列计算机
• 基本指令系统相同、基本体系结构相同的一系 列计算机。 • 解决了各机种的软件兼容问题
指令系统
第四章 指令系统
本章主要内容： 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 4.4 指令和数据的寻址方式 4.5 典型指令
回顾冯诺依曼体系
该“指令”指的是“机器指令”。 为什么要有指令系统？
• 程序存储思想 • 计算机的工作过程是各功能部件按照预先设 计的操作步骤执行数据流动、完成数据加工 的过程 • 让计算机执行某种操作需要指令
计算机程序是由一系列的机器指令组成 的。
举例：
回顾冯诺依曼体系
• C语言是高级语言，写出来的一行一行程序称 为代码 • 计算机执行的时候需要将高级语言代码编译 成机器语言 • 这样可能将一行代码转换为一行或者多行的 更基本的操作过程（01序列） • 这些最基本的操作过程即机器指令，所有类 型机器指令的集合就是指令系统 • 每个指令的执行过程依靠硬件实现
• 2/8规则：
20%的指令是常用指令，但在程序中出现的频率却 占到80%
• 为了降低控制器设计难度
4.1 指令系统的发展与性能要求
5、对指令系统的要求
完备性：
• 指令的功能完备，最基本、最常用功能所对应的 的指令已定义好，并有了其硬件实现电路。 • 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。
低级语言与高级语言关系
比较内容 1 2
对程序员的训练要求 (1)通用算法 (2)语言规则 (3)硬件知识
4.1 指令系统的发展与性能要求
高级语言 有 较少 不要 独立 低级语言 有 较多 要 不独立
对机器独立的程度
编制程序的难易程度
3
4 5 6
易
短 较长 多
难
较长 短
少
编制程序所需时间 程序执行时间 编译过程中对计算机资 源的要求
2、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（可理解为高级语言代码）； 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。 本章所讨论的指令，特指机器指令。
VLSI：Very Large Scale Integration
4.1 指令系统的发展与性能要求
• 精简指令系统计算机：简称RISC，对复杂指令 系统的精简，便于VLSI技术实现。
reduced instruction set computer
4.1 指令系统的发展与性能要求
4、为什么会出现CISC到RISC的转变？
4.1 指令系统的发展与性能要求
1、指令在计算机系统中的地位 （1）是软件和硬件分界面的一个主要标志
• 硬件设计人员采用各种手段实现它； • 软件设计人员则利用它编制各种各样的系统软 件和应用软件
（2）是硬件设计人员和软件设计人员之间的 分界面，也是他们之间沟通的桥梁。
4.1 指令系统的发展与性能要求
4.1 指令系统的发展与性能要求
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。
4.1 指令系统的发展与性能要求
规整性：包含三方面。
• 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。
Complex Instruction Set Computer 4.1 指令系统的发展与性能要求
3、发展情况
• 复杂指令系统计算机，简称CISC。VLSI技术 的发展使得硬件及指令变得复杂，内容丰富。 但是如此庞大的指令系统不但使计算机的研制 周期变长，难以保证正确性，不易调试维护， 而且由于采用了大量使用频率很低的复杂指令 而造成硬件资源浪费。