第7章--指令系统

– 计算机除了做算数运算外，有时还需做逻辑运算 ，此时n个0和1的组合不是被看做算数数字，而 是被看做逻辑数。
– 如在ASCII码中的0110101，它表示十进制数5， 若要将它转换为NBCD短十进制码，只需要通过 它与逻辑数0001111完成逻辑与运算，抽取低4位 ，即可获得0101。
– 此外，有时希望存储一个布尔类型的数据，它们 的每一位都代表着真（1）和假（0），这时n个0 和1组合的数就都被看做逻辑数。
(A1) OP (A2) A3
(2) 三地址
8
8
88
OP A1 A2 A3
(A1) OP (A2) A3
7.1
设指令字长为 32 位 操作码固定为 8 位 4 次访存 寻址范围 26 = 64 若 PC 代替 A4
4 次访存 寻址范围 28 = 256
若 A3 用 A1 或 A2 代替
(3) 二地址
• 可减少访存次数
➢ 当指令的地址字段为寄存器时
三地址 OP R1, R2, R3 二地址 OP R1, R2 一地址 OP R1 • 可缩短指令字长 • 指令执行阶段不访存
7.2 操作数类型和操作种类
一、操作数类型 ➢ 机器中常见的操作数类型有地址、 数字、字符、逻辑数据等。 ➢ （1）地址 地址也可看做是一种数据，在许多 情况下要计算操作数的地址。这时地 址可以被认为是一个无符号的整数。
边界对准
地址（十进制）
字（地址 0）
0
字（地址 4）
4
字节（地址11） 字节（地址10） 字节（地址9） 字节（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
半字（地址18）✓
半字（地址16） ✓
16
半字（地址22）✓
半字（地址20） ✓
20
双字（地址24）▲
2. 指令字长 可变
– 随着计算机的发展，存储容量的增大，要求处 理的数据类型增多，计算机的指令字长也发生 了很大变化。一台机器的指令系统可以采用位 数不同的指令，即指令字长是可变的，如单字 长指令、多字长指令。
– 控制这类指令的电路比较复杂，而且多字长指 令要多次访问存储器才能取出一条完整的指令， 因此使CPU的速度下降。
一、指令的一般格式
操作码字段 地址ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ字段
1. 操作码
➢ 反映机器做什么操作，如加法、减法、传送、移 位、转移等。
➢ 通常，其位数反映了机器的操作种类，也即机器 允许的指令条数，如操作码占7位，则该机器最 多包含27=128条指令。
➢ 操作码的长度可以是固定的，也可以是变化的。
(1) 长度固定
– 将操作码集中放在指令字的一个字段内（指 令规整，译码简单）
24
双字
28
双字（地址32）▲
32
双字
36
➢ 图中所示的存储字长为32位，可按字节、半字、字、双字访 问。在对准边界的32位字长的计算机中，半字地址是2的整 数倍，字地址是4的整数倍，双字地址是8的整数倍。当所存 数据不能满足此要求时，可填充一个至多个空白字节。而字 节的次序有两种。
字地址
0 3210 4 7654
如奔腾处理器的数据类型有逻辑数、有符号数（补 码）、无符号数、压缩和未压缩的BCD码、地址指 针、位串、字符串以及浮点数等。
二、数据在存储器中的存放方式
– 通常计算机中的数据存放在存储器或寄存器中， 而寄存器的位数便可反映机器字长。
– 一般机器字长可取字节的1、2、4、8倍，这样 便于字符处理。在大、中型机器中字长为32位 和64位，在微型计算机中字长从4位、8位逐渐 发展到目前的16位、32位和64位。
第七章 指 令 系 统
7.1 机器指令 7.2 操作数类型和操作类型 7.3 寻址方式 7.4 指令格式举例 7.5 RISC 技术
7.1 机器指令
1、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；
4. 转移
(1) 无条件转移 JMP
(2) 条件转移
结果为零转 （Z = 1） JZ 结果溢出转 （O = 1）JO 结果有进位转（C = 1）JC 跳过一条指令 SKP
如 300
完成触发器
…
305 SKP DZ D = 0 则跳 306 307
(3) 调用和返回
地址 2000
2100 2101
主程序 CALL SUB1
指令系统中指令采用等长指令的优点：各种 指令字长度是相等的，指令字结构简单，且 指令字长度是不变的 ；
采用非等长指令的的优点：各种指令字长度 随指令功能而异，结构灵活，能充分利用指 令长度，但指令的控制较复杂 。
小结
7.1
➢ 当用一些硬件资源代替指令字中的地址码字段后
• 可扩大指令的寻址范围
• 可缩短指令字长
（3）扩展操作码技术
– 操作码长度不固定会增加指令移码和分析的 难度，使控制器的设计复杂。通常采用扩展 操作码技术，使操作码的长度随地址数的减 少而增加，不同地址数的指令可以具有不同 长度的操作码，从而在满足需要的前提下， 有效地缩短指令字长。
操作码的位数随地址数的减少而增加
7.1
4 位操作码 8 位操作码 12 位操作码 16 位操作码
2. 地址码
– 地址码用来指出该指令源操作数的地址（一 个或两个）、结果的地址以及下一条指令的 地址。这里的“地址”可以是主存的地址， 也可以是寄存器的地址、甚至可以是I/O设 备的地址。
– 下面以主存地址为例，分析指令的地址码字 段。
(1) 四地址
86 666
OP A1 A2 A3 A4
A1 第一操作数地址 A2 第二操作数地址 A3 结果的地址 A4 下一条指令地址
加、减、乘、除、增 1、减 1、求补、浮点运算、十进制运算 与、或、非、异或、位操作、位测试、位清除、位求反
如 8086
ADD SUB MUL DIV INC DEC CMP NEG AAA AAS AAM AAD AND OR NOT XOR TEST
3. 移位操作
7.2
算术移位 逻辑移位
循环移位（带进位和不带进位）
二、指令字长
操作码的长度 指令字长取决于 操作数地址的长度
操作数地址的个数
7.1
不同机器的 指令字长是 不同的
1. 指令字长 固定
➢ 早期的计算机指令字长、机器字长和存储字 长均相等，因此访问某个存储单元，便可取 出一条完整的指令或一个完整的数据。这种 机器的指令字长是固定的，控制方式比较简 单。
– 为了提高指令的运行速度和节省存储空间，通 常尽可能把常用的指令（如数据传送指令、算 逻运算指令等）设计成单字长或短字长格式的 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。
在出现事故时，由 CPU 自动产生并执行（隐指令） • 设置供用户使用的陷阱指令
由于不同的机器数据字长不同，每台机器处 理的数据字长也不统一。
– 如奔腾处理器可处理8（字节）、16（字）、32 （双字）、64（四字）
– PowerPC可处理8（字节）、16（半字）、32（ 字）、64（双字）
因此，为了便于硬件实现，通常要求多字节 的数据在存储器的存放方式能满足“边界对 准”的要求。
8
12
12
7.1
OP
A1
A2
或 (A1) OP (A2) A1 (A1) OP (A2) A2
若结果存于 ACC 3次访存
4 次访存 寻址范围 212 = 4 K 若ACC 代替 A1（或A2）
(4) 一地址
8
24
OP
A1
(ACC) OP (A1)
ACC
2 次访存 寻址范围 224 = 16 M
(5) 零地址
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
本章所讨论的指令，是机器指令。
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
例如IBM 370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。
(2) 长度可变 ➢操作码分散在指令字的不同字段中
➢这种格式可有效地压缩操作码的平均长 度，在字长较短的微型计算机中被广泛 采用。如PDP – 11、Intel 8086/80386等， 操作码的长度是可变的。
计算机设计者主要研究如何确定机器的指令 系统，如何用硬件电路、芯片、设备来实现 机器指令系统的功能。
计算机的使用者则是依据机器提供的指令系 统，使用汇编语言来编制各种程序。计算机 使用者根据机器指令系统所描述的机器功能， 能很清楚地了解计算机内部寄存器-存储器的 结构，以及计算机能直接支持的各种数据类 型。
在指令字中无地址码，例如，空操作 （NOP）、停机（HLT）这类指令只有 操作码。而子程序返回（RET）、中断 返回（IRET）这类指令没有地址码，其 操作数的地址隐含在堆栈指针SP中。
用一些硬件资源（如PC、ACC）承担指令字中需指 明的地址码，可以在不改变指令字长的前提下，扩 大指令操作数的直接寻址范围。此外，用PC、ACC 等硬件代替指令字中的某些地址字段，还可缩短指 令字长，并可减少访存次数。因此，究竟采用什么 样的地址格式，必须从机器性能出发综合考虑。