计算机组成原理第4版CPU子系统指令系统
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计算机组成原理第4章指令系统课件
4.2 指令的格式
4.2.1 指令的编码格式
操作码OC
AC1
AC2
（1）把保存操作前原来操作数的地址称为源点地址(SS)， 把保存指令执行结果的地址称为终点地址或目的地址(DD)。
（2）将源点与终点操作数进行操作码规定的操作后，将 结果存入终点地址。通常二地址指令又称为双操作数指令。
ADD R0，R1表示将R0寄存器的内容和R1寄存器的内容相加以
5 异或XOR
XOR指令对两个操作数进 行按位异或运算。
4.4 指令的种类
4.4.4 移位、循环类指令
CF
位移指令SAL/SHL操作示意图
CF
SAR操作示意图
CF 0
SHR操作示意图
4.4 指令的种类
4.4.4 移位、循环类指令
不带进位标志的循环左移指令ROL MSB 操作数 LSB
CF
不带进位标志的循环右移指令ROR MSB 操作数 LSB
例如：在IBM-PC指令系统中
MOV
AX，05FFH
4.3 寻址方式
4.3.2 常用的寻址方式
2.直接寻址方式
（1）含义： 是指地址字段直接指明操作数在存储器内的位置的寻址 方法。即形式地址等于有效地址。 （2）优缺点： A、优点：简单，不需要进行加法运算。 B、缺点：地址空间指令地址字段长度的限制。
4.2 指令的格式
4.2.3 指令助记符
通常采用一些符号来代表二进制数据，这些符号即指 令助记符。
指令助记符 ADD SUB MUL DIV
助记符示例
含义
指令助记符
相加
AND
相减
OR
相乘
LOAD
相除
STORE
白中英组成原理第四版chp4
指令格式：操作码θ 操作数A
30
2、立即寻址
特点：在取指令时，操作码和操作数被同步取出，不 必再次访问存储器，从而提升了指令旳执行速度。
但是，因为操作数是指令旳一部分，不能被修改； 而且对于定 长指令格式，操作数旳大小将受到指令长
度旳限制，所以这种寻址方式灵活性最差 一般用于给某一寄存器或主存单元赋初值，或者用于
使用时有一点必须注意：指令执行之后，A1中原存 旳内容已经被新旳运算成果替代了。
12
二、地址码
二地址地址根据操作数旳物理位置分为：
SS 存储器-存储器类型 RS 寄存器-存储器类型 RR 寄存器-寄存器类型
慢
13
二、地址码
一地址指令
指令格式为：
θ A1
操作码θ 第一操作数A1
(AC)θ(A1) →A1 (PC)+1→PC 单操作数运算指令，如“+1”、“-1”、“求反” 指令中给出一种源操作数旳地址
器方式和24种变址方式（参照汇编语言教材）； Reg或OP（3位）指定另一种操作数（寄存器）或
用作OP旳补充。
操作码 Mod Reg或操作码 R/M S I B 位移量 立即数
1个字节
1个字节
21
七、 Pentium指令格式
S、I、B共1个字节，分别是百分比系数、变址寄存器 号、基址寄存器号，可选。mod-R/M中旳某些编码要 求SIB字节来完毕寻址方式旳指定；
第四章 指令系统
4.1 指令系统旳发展与性能要求 4.2 指令格式与 4.3 操作数类型 4.4 指令和数据旳寻址方式 4.5 经典指令
返回 1
4.1 指令系统旳发展与性能要求
1、指令在计算机系统中旳地位 （1）是软件和硬件分界面旳一种主要标志
30
2、立即寻址
特点：在取指令时，操作码和操作数被同步取出，不 必再次访问存储器，从而提升了指令旳执行速度。
但是，因为操作数是指令旳一部分，不能被修改； 而且对于定 长指令格式，操作数旳大小将受到指令长
度旳限制，所以这种寻址方式灵活性最差 一般用于给某一寄存器或主存单元赋初值，或者用于
使用时有一点必须注意：指令执行之后，A1中原存 旳内容已经被新旳运算成果替代了。
12
二、地址码
二地址地址根据操作数旳物理位置分为：
SS 存储器-存储器类型 RS 寄存器-存储器类型 RR 寄存器-寄存器类型
慢
13
二、地址码
一地址指令
指令格式为：
θ A1
操作码θ 第一操作数A1
(AC)θ(A1) →A1 (PC)+1→PC 单操作数运算指令，如“+1”、“-1”、“求反” 指令中给出一种源操作数旳地址
器方式和24种变址方式（参照汇编语言教材）； Reg或OP（3位）指定另一种操作数（寄存器）或
用作OP旳补充。
操作码 Mod Reg或操作码 R/M S I B 位移量 立即数
1个字节
1个字节
21
七、 Pentium指令格式
S、I、B共1个字节，分别是百分比系数、变址寄存器 号、基址寄存器号，可选。mod-R/M中旳某些编码要 求SIB字节来完毕寻址方式旳指定；
第四章 指令系统
4.1 指令系统旳发展与性能要求 4.2 指令格式与 4.3 操作数类型 4.4 指令和数据旳寻址方式 4.5 经典指令
返回 1
4.1 指令系统旳发展与性能要求
1、指令在计算机系统中旳地位 （1）是软件和硬件分界面旳一种主要标志
《计算机组成原理》教程第4章指令系统
4
二 指令的格式
即指令字用二进制代码表示的结构形式
包括 操作码：操作的性质 操作码 地址码：操作数（operand）的存储位置,即参加操作的 operand , 地址码 数据的地址和结果数的地址
操作码域（op） 地址码域（addr）
5
1.操作码 操作码
指令的操作码表示该指令应进行什么性质的操作。 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。 固定长度操作码：便于译码，扩展性差 . 可变长度操作码：能缩短指令平均长度 操作码的的位数决定了所能表示的操作数,n位操 作码最多表示2n种操作
(2)． 堆栈工作过程 ．
（一）进栈操作 ① 建立堆栈，由指令把栈顶地址送入SP，指针 指向栈顶。 ② 进栈：(A)→Msp, (sp)-1→SP ；Msp:存储 器的栈顶单元 （二）出栈操作 （SP）+1→SP, (Msp)→A
22
五.指令类型
一个较完善的指令系统应当包括: 数据传送类指令： 例）move、load、store等 算术运算类指令： 例）add、sub、mult、div、comp等 移位操作类指令： 例） shl，shr，srl，srr 逻辑运算类指令： 例）and、or、xor、not等 程序控制类指令： 例）jump、branch、jsr、ret、int等 输入输出指令： 例）in、out等 字符串类指令： 例）如alpha中cmpbge、inswh、extbl等 系统控制类指令： 例）push、pop、test等
18
10) *段寻址方式 段寻址方式 Intel 8086 CPU中采用了段寻址方式（基址寻址的特例）。 由16位段寄存器和16位偏移量产生20位物理地址 11)*自动变址寻址 自动变址寻址 指在变址方式中,每经过一次变址运算时,都自动改变变址寄存 器的内容,以后在PDP-11中详讲.
纪禄平-计算机组成原理(第4版)3(5)-CPU子系统-MIPS-4-多周期-3-控制系统PPT课件
3.5.4 多周期MIPS处理器
（组合逻辑与微程序）
-
1
※多周期CPU所需的控制信号
PCSrc[1:0]
01 00 10
PCWrite
PC
IorD MemWrite
存储器
0 1
Addr
RD
rst
WD
MemRead
IRWrite
<<2
U
RegDst RegWrite
RN1 RD1 A
operation 0 1
F
+4 00
MDR
1 0
WD
RD2 B
01 10
zero
MemtoReg
E
<<2
extend
11 AluSrc_B[1:0]
多路选择器: 4个+2个(2位/个)； ALU: 1组(4位)； 扩展器: 1个； 存储器: 2个； 寄存器堆: 1个； 专用寄存器: 2个； 共需13种控制信号, 共18位。
SC
Operation extend RegWrite IRWrite MemRead MemWrite PCWrite AluSrc_B AluSrc_A MemtoReg RegDst IorD PCSrc
2 1111 2 111 111 4 4
→00B08001H
-
2
24
❸ 整合所有指令的微程序并存储到Control Store √ T0中取指操作对应的微指令被全部指令共享 √各指令的其余微指令按顺序存储 √各指令的最末一条微指令中的顺序控制字段SC=10
写出各位的输出逻辑式：
PCsrc[1]=j_flag PCsrc[0]=beq_flag·zero PCWrite=FT_flag+beq_flag·zero+j_flag
（组合逻辑与微程序）
-
1
※多周期CPU所需的控制信号
PCSrc[1:0]
01 00 10
PCWrite
PC
IorD MemWrite
存储器
0 1
Addr
RD
rst
WD
MemRead
IRWrite
<<2
U
RegDst RegWrite
RN1 RD1 A
operation 0 1
F
+4 00
MDR
1 0
WD
RD2 B
01 10
zero
MemtoReg
E
<<2
extend
11 AluSrc_B[1:0]
多路选择器: 4个+2个(2位/个)； ALU: 1组(4位)； 扩展器: 1个； 存储器: 2个； 寄存器堆: 1个； 专用寄存器: 2个； 共需13种控制信号, 共18位。
SC
Operation extend RegWrite IRWrite MemRead MemWrite PCWrite AluSrc_B AluSrc_A MemtoReg RegDst IorD PCSrc
2 1111 2 111 111 4 4
→00B08001H
-
2
24
❸ 整合所有指令的微程序并存储到Control Store √ T0中取指操作对应的微指令被全部指令共享 √各指令的其余微指令按顺序存储 √各指令的最末一条微指令中的顺序控制字段SC=10
写出各位的输出逻辑式：
PCsrc[1]=j_flag PCsrc[0]=beq_flag·zero PCWrite=FT_flag+beq_flag·zero+j_flag
最新计算机组成原理第4章_指令系统_任国林版课件幻灯片
…… 2019 A←A+1
…
2000 …
2010 CALL 2200 2011 A←A+1 ……
2200 …
… CALL ** …
2280 RETURN ……
条件转移操作
无条件转移操作
调用操作
返回操作
注：①条件转移操作的条件由测试条件及转移条件组成；
②调用操作参数有目标指令地址及返回指令地址；
③返回操作参数仅为返回指令地址
出栈：①目标地址←[SP]，②SP←(SP)+X
对于入栈时SP递增移动方式，入栈+X、出栈-X
边界不对齐方式
边界对齐方式
整数边界对齐方式：长度为2n个存储字的数据在存储
器中存储时，最小单元地址(N)的最低n位必须为零。
如长度为20、21、22个存储字的N为XXXX、XXX0、XX00
3、数据(常数)在指令中的存放方式
*存放方式：边界—采用边界不对齐方式； (尽量减少指令字长) 次序—与存储器存放次序一致。(方便CPU处理)
操作步骤—入栈：先移动栈顶，再在栈顶写入数据， 出栈：先从栈顶读出数据，再移动栈顶；
B
A
A
A
①空堆栈
②A入栈
③B入栈
④出栈(B)
存取特征—后进先出顺序、不按地址访问，
破坏性读出(只对栈顶操作)；
6
18
*寄存器堆栈： --用移位REG实现，面向硬件
组成特征—大小及栈顶固定，CPU用计数器表示“栈底”；
8
1、操作码字段 *功能：用编码指明(约定)操作的性质, 包括操作类型、操作数类型及长度3个方面；
例1—指令系统约定：操作类型≤8种，加法操作需支持8/16 位定点数、单/双精度浮点数，移位操作需支持8/16位定点数， 逻辑非操作只需支持8位逻辑数。操作码字段如何编码?
…
2000 …
2010 CALL 2200 2011 A←A+1 ……
2200 …
… CALL ** …
2280 RETURN ……
条件转移操作
无条件转移操作
调用操作
返回操作
注：①条件转移操作的条件由测试条件及转移条件组成；
②调用操作参数有目标指令地址及返回指令地址；
③返回操作参数仅为返回指令地址
出栈：①目标地址←[SP]，②SP←(SP)+X
对于入栈时SP递增移动方式，入栈+X、出栈-X
边界不对齐方式
边界对齐方式
整数边界对齐方式：长度为2n个存储字的数据在存储
器中存储时，最小单元地址(N)的最低n位必须为零。
如长度为20、21、22个存储字的N为XXXX、XXX0、XX00
3、数据(常数)在指令中的存放方式
*存放方式：边界—采用边界不对齐方式； (尽量减少指令字长) 次序—与存储器存放次序一致。(方便CPU处理)
操作步骤—入栈：先移动栈顶，再在栈顶写入数据， 出栈：先从栈顶读出数据，再移动栈顶；
B
A
A
A
①空堆栈
②A入栈
③B入栈
④出栈(B)
存取特征—后进先出顺序、不按地址访问，
破坏性读出(只对栈顶操作)；
6
18
*寄存器堆栈： --用移位REG实现，面向硬件
组成特征—大小及栈顶固定，CPU用计数器表示“栈底”；
8
1、操作码字段 *功能：用编码指明(约定)操作的性质, 包括操作类型、操作数类型及长度3个方面；
例1—指令系统约定：操作类型≤8种，加法操作需支持8/16 位定点数、单/双精度浮点数，移位操作需支持8/16位定点数， 逻辑非操作只需支持8位逻辑数。操作码字段如何编码?
计算机组成原理-第4章_指令系统
7. 段寻址方式(Segment Addressing)
方法：E由段寄存器的内容加上段内偏移地址而形成。
应用：微型机采用段寻址方式，20位物理地址为16位 段地址左移四位加上16位偏移量。
分类：① 段内直接寻址； ② 段内间接寻址； ③ 段间直接寻址； ④ 段间间接寻址；
9 堆栈寻址方式
堆栈：是一组能存入和取出数据的暂时存储单元。
*** 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。 单字长指令 半字长指令 双字长指令
多字长指令的优缺点
优点提供足够的地址位来解决访问内存任何单元的寻址问题 ； 缺点必须两次或多次访问内存以取出一整条指令，降低了CPU的运 算速度，又占用了更多的存储空间。
*** 指令系统的发展与性能要求
*** 指令系统的发展
指令：即机器指令，要计算机执行某种操作的命令。
指令划分：微指令、机器指令和宏指令。
简单
复杂
指令系统：一台计算机中所有指令的集合；是表征
计算机性能的重要因素。
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。
*** 对指令系统性能的要求
（2）立即数只能作为源操作数，立即寻址主要用来给寄存 器或存储器赋初值。以A～F开头的数字出现在指令中时，前 面要加0。
（3）速度快（操作数直接在指令中，不需要运行总线周期）
（4）立即数作为指令操作码的一部分与操作码一起放在代 码段区域中。
（5）指令的长度（翻译成机器语言后）较长，灵活性较差。
【例】MOV AX， 10H 执行后（AX）=？ 其中：这是一条字操作指令，源操作数为立即寻址 方式，立即数为0010H，存放在指令的下两个单元。
纪禄平-计算机组成原理PPT(第4版)3(4)-CPU子系统-模型机CPU-3-指令流程与微命令
5/18
操作时间表中各微命令的含义:
(1) 控制访存操作的微命令
EMAR, R/W, SIR, … (2) 控制CPU内部数据通路操作微命令 PCA, S3S2S1S0MC0, DM, CPPC, … (3) 控制时序切换的微命令 需要结合控制系统才能表述。ຫໍສະໝຸດ 6/18❶ 传送指令
1）流程图
例1：MOV R0，R1； FT0： M ET0： R1 ET1： PC 例2：MOV(R0),(R1)； FT0： M ST0： R1 ST1： M DT0： R0 ET0： C ET1： MDR ET2： PC
→B
17/18
移位器控制信号S：DM、SL、SR、EX 脉冲型微命令CP：无、CPRi\CPRj\CPC\CPD\CPMAR
CPMDR\CPPC\CPSP 访存控制：EMAR\W(EMDR)\R(SMDR)
IR和PSW的辅助控制ST：无,0→PSW[4],1→PSW[4],SIR 上述是直接根据指令流程归纳的微命令，设计控制系统 时需要先对这些微命令编码，见教材。 对比数据通路，其中Ri→A,Rj→B、CPRi和CPRj属于 间接信号，需结合指令中的寄存器编号，才能确定部 件的直接控制信号（见表3-13、3-14）
15/18
❻ 中断隐指令 IT0： 0 IT1： PC IT2： MDR PSW[4]， SP-1 MDR M SP/MAR
IT3：形成向量地址→MAR
IT4：M→MDR →PC/MAR
16/18
3、指令集的微命令归纳
指令执行过程所需的微命令，取决于： 数据通路结构； 基于数据通路设计的指令流程；
R0~3/C/D/SP/PC/ MDR →B ALU功能： S3S2S1S0、M、CI 移位选择：
操作时间表中各微命令的含义:
(1) 控制访存操作的微命令
EMAR, R/W, SIR, … (2) 控制CPU内部数据通路操作微命令 PCA, S3S2S1S0MC0, DM, CPPC, … (3) 控制时序切换的微命令 需要结合控制系统才能表述。ຫໍສະໝຸດ 6/18❶ 传送指令
1）流程图
例1：MOV R0，R1； FT0： M ET0： R1 ET1： PC 例2：MOV(R0),(R1)； FT0： M ST0： R1 ST1： M DT0： R0 ET0： C ET1： MDR ET2： PC
→B
17/18
移位器控制信号S：DM、SL、SR、EX 脉冲型微命令CP：无、CPRi\CPRj\CPC\CPD\CPMAR
CPMDR\CPPC\CPSP 访存控制：EMAR\W(EMDR)\R(SMDR)
IR和PSW的辅助控制ST：无,0→PSW[4],1→PSW[4],SIR 上述是直接根据指令流程归纳的微命令，设计控制系统 时需要先对这些微命令编码，见教材。 对比数据通路，其中Ri→A,Rj→B、CPRi和CPRj属于 间接信号，需结合指令中的寄存器编号，才能确定部 件的直接控制信号（见表3-13、3-14）
15/18
❻ 中断隐指令 IT0： 0 IT1： PC IT2： MDR PSW[4]， SP-1 MDR M SP/MAR
IT3：形成向量地址→MAR
IT4：M→MDR →PC/MAR
16/18
3、指令集的微命令归纳
指令执行过程所需的微命令，取决于： 数据通路结构； 基于数据通路设计的指令流程；
R0~3/C/D/SP/PC/ MDR →B ALU功能： S3S2S1S0、M、CI 移位选择：
纪禄平-计算机组成原理PPT(第4版)3(1)-CPU子系统-概述
1、主要功能
✓处理指令-控制指令的执行顺序； ✓执行操作-产生控制信号控制部件工作； ✓控制时间-控制各步操作的时序； ✓数据运算-算术和逻辑运算；
2、执行指令的流程
✓读取指令-从存储器中读取； ✓指令译码-通过控制器进行、产生控制信号； ✓指令执行-寻址、取数、运算； ✓后续工作-保存结果、响应外部请求等；
9
⑤程序状态字寄存器（PSW）
[主要用途] 仅1个，记录现行程序的运行状态和程序的工作模式。
❖ PSW-特征位 也叫标志位，反映CPU的当前状态。 指令执行时，根据情况自动设置这些特征位，作为后 续操作的判断依据，通常有5类:
进位 溢出 零值
P
…
自动设置(具备该特征，就设置该标志位=1)
10
❖ PSW-编程设定位
PSW中某些位或字段可通过程序来设定，以决定程 序的调试、对中断的响应、程序的运行模式等。
跟踪位
T
允许中断
I
程序优 先级P
运行模式
⑥地址寄存器（MAR）
[主要用途] 只有1个，读写存储器时，先要定位存储单元，因此 设置MAR来存放目标单元的地址码。 先将有效地址送入MAR，再启动后续的读写操作。
数据1 数据0
栈底
堆栈(存储器)
12
4、控制器
[主要作用] 根据指令、时钟信号、外部信号等信息，产生各种 控制信号(微命令)，以便控制各种功能部件协同工 作，完成指令的功能。
指令代码
控制单元
时序信号 状态信号
各种控制信号
根据产生微命令的方式，有两类控制单元：
①组合逻辑控制器 组合逻辑硬件电路→控制信号
第3章 CPU子系统
※本章主要介绍：
功能部件
✓处理指令-控制指令的执行顺序； ✓执行操作-产生控制信号控制部件工作； ✓控制时间-控制各步操作的时序； ✓数据运算-算术和逻辑运算；
2、执行指令的流程
✓读取指令-从存储器中读取； ✓指令译码-通过控制器进行、产生控制信号； ✓指令执行-寻址、取数、运算； ✓后续工作-保存结果、响应外部请求等；
9
⑤程序状态字寄存器（PSW）
[主要用途] 仅1个，记录现行程序的运行状态和程序的工作模式。
❖ PSW-特征位 也叫标志位，反映CPU的当前状态。 指令执行时，根据情况自动设置这些特征位，作为后 续操作的判断依据，通常有5类:
进位 溢出 零值
P
…
自动设置(具备该特征，就设置该标志位=1)
10
❖ PSW-编程设定位
PSW中某些位或字段可通过程序来设定，以决定程 序的调试、对中断的响应、程序的运行模式等。
跟踪位
T
允许中断
I
程序优 先级P
运行模式
⑥地址寄存器（MAR）
[主要用途] 只有1个，读写存储器时，先要定位存储单元，因此 设置MAR来存放目标单元的地址码。 先将有效地址送入MAR，再启动后续的读写操作。
数据1 数据0
栈底
堆栈(存储器)
12
4、控制器
[主要作用] 根据指令、时钟信号、外部信号等信息，产生各种 控制信号(微命令)，以便控制各种功能部件协同工 作，完成指令的功能。
指令代码
控制单元
时序信号 状态信号
各种控制信号
根据产生微命令的方式，有两类控制单元：
①组合逻辑控制器 组合逻辑硬件电路→控制信号
第3章 CPU子系统
※本章主要介绍：
功能部件
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- 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)。
① 地址码数据 寄存器编号或者存储器地址，无符号整数。 ② 数值型数据 定点数、浮点数等，一般用补码表示。
③ 字符型数据 通常表示为ASCII码/汉字内码格式。
④ 逻辑型数据 常规二进制代码，不具有数值含义。
计算机组成原理第4版CPU子系统指令系 统
15
5. MIPS32架构的指令格式
RISC 指令字长为：32位 寄存器数量：32个
②不利于VLSI工艺
为实现大量的复杂指令，控制逻辑极不规整，给VLSI工艺 造成很大困难。
③ 主存技术的发展
一般通过保存在控制存储器中的微程序来实现复杂指令， 70年代后期开始用DRAM做主存，使主存与控制存储器的 速度相当，因此很多复杂指令不必再用微程序来实现，可 用简单指令构成的子程序实现等效功能。
3. 地址结构 指令中提供的地址
地址偏移量/立即数 寄存器编号
（1）指令中提供地址的方式
√显式地址方式 →指令中明确指明地址码 (直接/间接给出)
√隐式地址方式
→地址码隐含约定，不在指令中出现。
使用隐式地址，可以减少指令中的地址数量， 从而简化地址结构。
计算机组成原理第4版CPU子系统指令系 统
9
自动修改PC的内容，使PC指向下一条指令
计算机组成原理第4版CPU子系统指令系 统
12
✓ 一地址结构指令
θ A1 源/目的地址
隐含约定
双操作数：A1 U [PC]H→PC 如：J addr
单操作数：
θ(A1) → A1 (PC)+ → PC 如：INC R0
自动修改PC的内容，使PC指向下一条指令
精简指令集计算 随着半导体技术进步，80年代开始逐渐直接通过硬件方 式，而不是扩充指令来实现复杂功能，指令规模逐渐缩 小、指令进一步简化 → 精简指令集
计算机组成原理第4版CPU子系统指令系 统
3
※CISC→RISC的技术背景
①2－8规律
CISC中的不同指令使用频率悬殊： 简单指令(约占20%的)约占80%的使用频率，复杂指令(约 占80%)只占大约20%的使用频率。
计算机组成原理第4版CPU子系统指令系 统
13
✓ 零地址结构指令
θ
功能： ①用于处理机的特殊控制（如HLT, NOP）。 ②针对隐含约定的寄存器，如返回指令：
RST
隐含操作：(SP)→PC; SP+ →SP; 把堆栈栈顶单元保存的返回地址打入PC。
计算机组成原理第4版CPU子系统指令系 统
14
4. 指令可能会涉及到的操作数类型
计算机组成原理第4版CPU子系统指令系 统
4
→CISC的特点：
①指令数量多； ②指令长度可以不固定，指令格式和寻址方式多样； ③很多指令会涉及存储器读写操作，指令周期长； ④一般在通用处理器中使用；
→RISC的特点：
①指令数量少； ②指令长度固定，指令格式和寻址方式种类也少； ③一般只有少量指令(如取数/存数) 才会读写存储 器，其余指令只涉及CPU内部寄存器，指令周期短； ④一般在高端服务器CPU中使用；
计算机组成原Leabharlann 第4版CPU子系统指令系 统7
(3)复合型操作码 基本特征： 操作码分为几段，每段表示一种二级操作。 [例]某机的算术逻辑运算指令格式
15 ~ 13 12 11 10 9 5 ~ 0
1基5 本操作 进位 移位 回送 判跳 操作数
复合型操作码
计算机组成原理第4版CPU子系统指令系 统
8
指令 类型
R型 I型 J型
指令长度（32位定长）
31 ~ 26 25~21 20~16 25~11 10 ~ 6 5 ~ 0
op(6) rs(5) rt(5) rd(5) shamt func
op(6) rs(5) rt(5) address/imm (16)
op(6)
address (26)
计算机组成原理第4版CPU子系统指令系 统
（2） 常见的地址结构类型 ✓ 四地址结构指令
θ A1 A2 A3 A4
操作数 地址
结果 下条指 地址 令地址
功能：(A1)θ(A2)→A3 A4→PC
一般用PC寄存器指示下条指令的地址。
四地址结构指令在RISC中很少会使用。
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✓三地址结构指令
θ A1 A2 A3
⊙指令集：instruction set，处理器能执行的全体 指令的集合（CISC、RISC）
√ 决定了 计算机的硬件功能 √ 计算机中软硬件的分界面
⊙ 指令字：用来表示指令的一组二进制代码。
⊙ 指令字长：指令中包含的二进制代码位数
⊙ 机器字长：计算机能够直接处理的二进制数据 的位数 = 寄存器的宽度。
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3.2.2 指令格式
指令的基本格式
操作码θ 地址码A /操作数D
1个
1个或几个（广义）
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1. 指令字长
定长指令格式 规整、便于控制
变长指令格式 合理利用存储空间、提高取指令
的效率，如超长指令集
2. 操作码结构
(1)定长操作码 各指令θ的位置、位数固定相同。 (2)扩展操作码 各指令θ的位置、位数不固定，根据需要 变化 (设置扩展标志)。
3.2 指令系统
设计CPU的一般过程： 指令系统→ 数据通路→ 控制器→ CPU定型
本节主要分析： √指令格式 √指令涉及的寻址方式 √向用户的指令类型
− 基于MIPS32架构
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⊙指令：instruction，计算机执行某类操作的信 息的集合，是CPU工作的主要依据。
操作数 地址
结果 地址
功能：
(A1)θ(A2)→A3
(PC)+ →PC 如：ADD rd, rs, rt
自动修改PC的内容，使PC指向下一条指令
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✓二地址结构指令 θ A1 A2
目的地址 源地址
功能： (A1)θ(A2)→A1
(PC)+ →PC
如：ADD R1, R0
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3.2.1 指令集类型
1、CISC(Complex Instruction Set Computing)
复杂指令集计算 早期计算机部件昂贵、速度慢，为了扩展硬件功能，不 得不将更多更复杂指令加入到指令系统，以提高计算机 的处理能力 → 复杂指令集
2、RISC(Reduced Instruction Set Computing)
③ 字符型数据 通常表示为ASCII码/汉字内码格式。
④ 逻辑型数据 常规二进制代码，不具有数值含义。
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5. MIPS32架构的指令格式
RISC 指令字长为：32位 寄存器数量：32个
②不利于VLSI工艺
为实现大量的复杂指令，控制逻辑极不规整，给VLSI工艺 造成很大困难。
③ 主存技术的发展
一般通过保存在控制存储器中的微程序来实现复杂指令， 70年代后期开始用DRAM做主存，使主存与控制存储器的 速度相当，因此很多复杂指令不必再用微程序来实现，可 用简单指令构成的子程序实现等效功能。
3. 地址结构 指令中提供的地址
地址偏移量/立即数 寄存器编号
（1）指令中提供地址的方式
√显式地址方式 →指令中明确指明地址码 (直接/间接给出)
√隐式地址方式
→地址码隐含约定，不在指令中出现。
使用隐式地址，可以减少指令中的地址数量， 从而简化地址结构。
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自动修改PC的内容，使PC指向下一条指令
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✓ 一地址结构指令
θ A1 源/目的地址
隐含约定
双操作数：A1 U [PC]H→PC 如：J addr
单操作数：
θ(A1) → A1 (PC)+ → PC 如：INC R0
自动修改PC的内容，使PC指向下一条指令
精简指令集计算 随着半导体技术进步，80年代开始逐渐直接通过硬件方 式，而不是扩充指令来实现复杂功能，指令规模逐渐缩 小、指令进一步简化 → 精简指令集
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※CISC→RISC的技术背景
①2－8规律
CISC中的不同指令使用频率悬殊： 简单指令(约占20%的)约占80%的使用频率，复杂指令(约 占80%)只占大约20%的使用频率。
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✓ 零地址结构指令
θ
功能： ①用于处理机的特殊控制（如HLT, NOP）。 ②针对隐含约定的寄存器，如返回指令：
RST
隐含操作：(SP)→PC; SP+ →SP; 把堆栈栈顶单元保存的返回地址打入PC。
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4. 指令可能会涉及到的操作数类型
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→CISC的特点：
①指令数量多； ②指令长度可以不固定，指令格式和寻址方式多样； ③很多指令会涉及存储器读写操作，指令周期长； ④一般在通用处理器中使用；
→RISC的特点：
①指令数量少； ②指令长度固定，指令格式和寻址方式种类也少； ③一般只有少量指令(如取数/存数) 才会读写存储 器，其余指令只涉及CPU内部寄存器，指令周期短； ④一般在高端服务器CPU中使用；
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(3)复合型操作码 基本特征： 操作码分为几段，每段表示一种二级操作。 [例]某机的算术逻辑运算指令格式
15 ~ 13 12 11 10 9 5 ~ 0
1基5 本操作 进位 移位 回送 判跳 操作数
复合型操作码
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指令 类型
R型 I型 J型
指令长度（32位定长）
31 ~ 26 25~21 20~16 25~11 10 ~ 6 5 ~ 0
op(6) rs(5) rt(5) rd(5) shamt func
op(6) rs(5) rt(5) address/imm (16)
op(6)
address (26)
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（2） 常见的地址结构类型 ✓ 四地址结构指令
θ A1 A2 A3 A4
操作数 地址
结果 下条指 地址 令地址
功能：(A1)θ(A2)→A3 A4→PC
一般用PC寄存器指示下条指令的地址。
四地址结构指令在RISC中很少会使用。
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✓三地址结构指令
θ A1 A2 A3
⊙指令集：instruction set，处理器能执行的全体 指令的集合（CISC、RISC）
√ 决定了 计算机的硬件功能 √ 计算机中软硬件的分界面
⊙ 指令字：用来表示指令的一组二进制代码。
⊙ 指令字长：指令中包含的二进制代码位数
⊙ 机器字长：计算机能够直接处理的二进制数据 的位数 = 寄存器的宽度。
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3.2.2 指令格式
指令的基本格式
操作码θ 地址码A /操作数D
1个
1个或几个（广义）
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1. 指令字长
定长指令格式 规整、便于控制
变长指令格式 合理利用存储空间、提高取指令
的效率，如超长指令集
2. 操作码结构
(1)定长操作码 各指令θ的位置、位数固定相同。 (2)扩展操作码 各指令θ的位置、位数不固定，根据需要 变化 (设置扩展标志)。
3.2 指令系统
设计CPU的一般过程： 指令系统→ 数据通路→ 控制器→ CPU定型
本节主要分析： √指令格式 √指令涉及的寻址方式 √向用户的指令类型
− 基于MIPS32架构
计算机组成原理第4版CPU子系统指令系 统
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⊙指令：instruction，计算机执行某类操作的信 息的集合，是CPU工作的主要依据。
操作数 地址
结果 地址
功能：
(A1)θ(A2)→A3
(PC)+ →PC 如：ADD rd, rs, rt
自动修改PC的内容，使PC指向下一条指令
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✓二地址结构指令 θ A1 A2
目的地址 源地址
功能： (A1)θ(A2)→A1
(PC)+ →PC
如：ADD R1, R0
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3.2.1 指令集类型
1、CISC(Complex Instruction Set Computing)
复杂指令集计算 早期计算机部件昂贵、速度慢，为了扩展硬件功能，不 得不将更多更复杂指令加入到指令系统，以提高计算机 的处理能力 → 复杂指令集
2、RISC(Reduced Instruction Set Computing)