1. 指令系统的发展和性能要求
1.1指令系统的发展
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程序一一用于解决实际问题的一系列的指令;
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指令一一使计算机执行某种操作的命令
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从组成的层次结构来说,计算机的指令可分为如下3类:
- 微指令:微程序级的命令,它属于硬件;
- 机器指令(指令):可完成一个独立的算术或逻辑运算;
- 宏指令:由若干条机器指令组成的软件指令,它属于软件
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指令系统:一台计算机中所有机器指令的集合。
指令系统的格式和功能直接影响机器的硬件结构、软件系统、以及机器的适用范围。 -
计算机指令系统的发展过程
●50年代：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：增加了乘除运算、浮点运算、十进制运算、字符串处理等指令,指令数目多达一二百条,寻址方式也趋多样化，出现了系列计算机。
●70年代末期：复杂指令系统计算机(CISL)、精简指令系统计算机(RSC)，早期的X86处理器(486之前)都是CISL指令系统，奔腾系列CPU使用了RSC和CC构架相结合的办法; -
系列计算机
- 基本指令系统、基本体系结构相同的一系列计算机。
不过具体的器件、结构和性能都不会完全相同，一般新机种在各方面要优于旧机种。 - 一个系列往往有多种型号,各型号计算机的指令系统是向下兼容的。
新机种的指令系统包含旧机种的全部指令，如 Pentiu系列PC机。
- 基本指令系统、基本体系结构相同的一系列计算机。
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CISC (complex instruction set computer)
采用复杂的的指令系统,来达到增强计算机的功能、提高机器速度的目的
●特点:
①.指令系统复杂庞大,指令数目多
②.指令格式多,字长不固定,多种寻址方式;
③.可访存指令不受限制;
④.各种指令的执行时间相差很大;
⑤.大都采用微程序控制器; -
RISC (Reduced instruction set computer)
从简化指令系统和优化硬件设计的角度来提高系统的性能与速度。
●RISC指令系统的主要特点:
①.选取使用频率高的简单指令;
②.指令长度固定,指令格式少,寻址方式种类少
③.采用流水线技术
④.使用较多的通用寄存器,减少访存;
⑤.控制器以组合逻辑控制为主;
⑥.采用优化编译技术;
1.2 指令系统性能的要求
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指令系统的性能决定了计算机的基本功能,它的设计直接关系到计算机的硬件结构和用户的需要。
一个完善的指令系统应满足如下四方面的要求：
①.完备性：常用指令齐全,编程方便;
②.有效性：程序占用内存少,运行速度快;
③.规整性：指令和数据的使用规则统一,易学易记;
④.兼容性：同一系列的低档计算机的程序能够在新的高档计算机上运行。 -
指令系统的规整性要求：
规整性包括对称性、匀齐性、指令格式和数据格式的一致性三方面的要求。
● 对称性：所有的指令都可使用各种寻址方式
● 匀齐性：一种操作性质的指令可以支持各种数据类型
● 指令格式和数据格式的一致性：指令长度和数据长度有一定的关系,以方便处理和存取
1.3低级语言与硬件结构的关系
● 低级语言:机器语言、汇编语言，是一种面向机器的语言,和具体机器的指令系统密切相关。
●高级语言与低级语言的比较如表所示：
| 比较内容 | 高级语言 | 低级语言 | |
|---|---|---|---|
| 1 | 对机器独立的程度 | 独立 | 不独立 |
| 2 | 编制程序的难易程度 | 易 | 难 |
| 3 | 编制程序所需的时间 | 短 | 较长 |
| 4 | 程序执行时间 | 较长 | 短 |
| 5 | 编译过程对计算机资源的要求 | 多 | 少 |
| 对程序员的训练要求 | 高级语言 | 低级语言 |
|---|---|---|
| 通用算法 | 需要 | 需要 |
| 语言规则 | 了解 | 较多了解 |
| 硬件知识 | 不需要 | 需要 |
2. 指令格式
指令的一般格式:
● 指令字(简称指令)：表示一条指令的机器字。
● 指令格式：指令字用二进制代码表示的结构形式,由操作码字段和地址码字段组成。
○操作码字段:表征指令的操作特性与功能
○地址码字段:通常指定参与操作的操作数的地址。
2.1 操作码
● 操作码字段的位数取决于指令系统的规模;
● 操作码的类型:
- 固定长度的操作码
操作码字段为4位,则指令系统中的指令数目为24=16条。
◆特征:所有指令长度均相同。
◆优点:控制简单,速度快,适用于指令条数不多的场合 - 可变长度的操作码
◆特征:利用操作码扩展技术将操作码扩展到地址码字段,使各类指令的操作码长度不相同;
◆优点:充分利用软硬件资源,适用于大规模的指令系统。
2.2 地址码
一条指令格式中有几个地址码字段,就称为是几地址指令;
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零地址指令:
①无任何操作数运算。(如NOP、HALT等指令)。
②单操作数运算:隐含一个操作数,如Acc。(如CBW指令)
OP (Acc) → Acc -
一地址指令：
①单操作数运算:OP (A1) → A1（如INC指令）
②双操作数运算:隐含一个操作数,如Acc
A(cc) OP (A1)→Acc/A1 (如MUL指令) -
两地址指令
功能:(A1) OP (A2) → A1 (如ADD、XOR等指令) -
三地址指令
功能:(A1) OP (A2) → A3 -
多地址指令(如四地址)
这类指令功能强,一般用高档小型机或中大型机,用于实现成批数据处理,字符串处理、向量或矩阵运算指令等
两地址指令的分类:
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根据操作数的物理位置分：
● 存储器-存储器(SS)型指令
A1、A2均为存储单元;
这类指令的操作时都涉及到内存单元，参与操作的数都放在内存内。
● 寄存器-寄存器(RR)型指令
A1、A2均为寄存器；
这类指令执行过程中，需要多个通用寄存器或个别专用寄存器，从寄存器中取操作数，把操作数结果存放到另一个寄存器中，执行时不需要访问内存。
● 寄存器-存储器(RS)型指令
A1、A2中一个为寄存器,一个为存储单元;
执行此类指令时,既要访问内存单元,又要访问寄存器。 -
指令的操作码扩展技术(补充)
一个指令系统中，若操作码长度固定，且指令格式不同
指令格式如图:
操作码字段长度取决于指令系统中的指令总数目，地址码较少的指令,编码浪费。
●操作码扩展
○对于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;
○既充分利用指令字的各字段,又在不增加指令长度的情况下扩展操作码的长度；
举例：
设某指令长16位,包括4位基本操作码字段和3个4位地址码字段。
①若全是三地址指令,则最多能有多少条指令?
○操作码为4位的,则指令条数为24=16。
②若三地址指令需15条,两地址指令需15条,单地址指令需15条零地址指令需16条应如何安排?
○可使用操作码扩展技术,缩短固定操作码长度;
①为了缩短指令的平均长度,应用频率比较高的指令应该分配较短的操作码。
②确保指令码的唯一性。
2.3 指令字长度
- 机器字长
运算器一次能处理的二进制数的位数。机器指令的长度直接决定着CPU运算的精度和直接寻址能力的大小 - 指令字长
一个指令字中包含二进制代码的位数;
指令字长由操作码长度、操作数长度和个数共同决定。
● 指令有半字长、单字长、双字长、多字长等不同的长度类型。
● 指令系统可分为等长指令字结构、变长指令字结构两种。
2.4 指令助记符
- 指令助记符
使用3~4个英文缩写字母来表示的指令操作码 - 在不同的计算机中,指令助记符的规定是不一样的,指令助记符只是指令操作码字段的一种表示方法;机器内部保存的还是二进制代码形式的机器指令;
◆由汇编或编译程序,将助记符翻译成机器代码。
指令举例：
3.操作数类型
● 机器指令对数据进行操作,数据通常分为以下四类
- 地址数据：无符号整数,通过某种运算确定操作数在主存中的有效地址;
- 数值数据：定点整数、小数;浮点数;压缩十进制数
- 字符数据：文本数据或字符串;
- 逻辑数据：由若干二进制位组成,每位的值可以是1或0。
4.令和数据的寻址方式
-
4.1指令的寻址方式
1.顺序寻址方式
○ 当程序执行的流向不发生变化时,指令的寻址方式;
○ 由程序计数器记录所要执行指令的地址;
一般在每次取指之后,其值加本条指令所占存储单元数
2.跳跃寻址方式
○ 当程序转移执行时的指令寻址方式
○ 程序计数器的内容由本条指令给出,而不是顺序改变。- 直接寻址方式:指令中给出要转向的有效地址
- 相对寻址方式:指令中给出要转向单元与当前单元的偏移量
- 间接寻址方式:指令中给出保存要转向地址的寄存器或存储单元
-
4.2操作数的寻址方式
一种单地址码指令的结构如下图：
- 将指令中的形式地址A变换成操作数有效地址的过程,称为寻址过程。
- 典型而常用的寻址方式有：
隐含寻址、立即寻址、直接寻址、间接寻址、寄存器寻址、寄存器间接寻址、偏移寻址、堆栈寻址。
| 隐含寻址 | 立即寻址 |
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| 直接寻址 | 间接寻址 |
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| 寄存器寻址 | 寄存器间接寻址 |
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| 偏移寻址 | 相对寻址 |
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| 变址寻址 | 基址寻址 |
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| 堆栈寻址 | |
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隐含寻址
●操作数地址隐含在操作码中;
●如8086的MUL指令
被乘数隐含在AX(16位)或AL(8位)中
●指令字中少了一个地址字段,可缩短指令字长; -
立即寻址
●形式地址A就是操作数;
●优点：指令执行阶段不需要访存,速度快
●缺点：形式地址A字段的位数限制了立即数的范围 -
直接寻址
●有效地址由形式地址字段A直接给出;
○EA=A
●特点：执行阶段访问一次存储器，A的位数决定了该指令操作数的寻址范围；操作数的地址不易修改(必须修改A) -
间接寻址
●有效地址由形式地址字段A间接提供,EA=(A)
●特点：可扩大寻址范围;
A字段的长度受指令字长和指令格式的限制;
○寻址时,可根据需要进行多次间址;
○可用寻址特制字段区分直接寻址和间接寻址方式 -
寄存器寻址
●形式地址字段A为寄存器编号
○EA=Ri
●特点：
○执行阶段不访存,只访问寄存器,执行速度快
○寄存器个数有限,可缩短指令字长 -
寄存器间接寻址
●形式地址字段A用于指出存放有效地址的寄存器编号;
○OEA=(Ri)
●特点
○执行阶段访存;○便于编制循环程序 -
偏移寻址
●直接寻址和寄存器间接寻址方式的结合
●有效地址EA=A+®
○A是显式的形式地址字段;
OR可以是显式的,也可以隐含的,某个专用的寄存器;
●常用的偏移寻址
○变址寻址:EA=(变址R)+A,变址R+1变址R
○基址寻址:EA=(基址R)+A,A+1→A
○相对寻址:EA=(专用R)+A -
变址寻址方式
●形式地址A作为基准地址,
变址寄存器作为可修改量;
○变址寄存器可自动增减量
●适用于数组、字符串等
成批连续数据的处理;
●变址寄存器
○可用通用寄存器充当,一般包含多个
○在指令中要用一个字段指明当前所用的变址寄存器;
◆上图中采用通用寄存器R0作为变址寄存器 -
基址寻址方式
●基址寄存器作为基准地址,形式地址A作为可修改量;
○形式地址相当于位移量,可正可负;
○一般基址寄存器为专用寄存器
●基址寻址原来用于大型机,用作将用户地址转换成物理地址;
○可以实现地址的重定位,和扩大直接寻址空间
用途：
○大型机中,一般用特权指令来管理;
○小、微型机中,一般与变址寻址联合使用 -
相对寻址方式
寻址特征
●是基址寻址的一种变通
○程序计数器PC提供基准地址;
○形式地址作为位移量D,专用R可正可负;OEA:(PC )+D:
●适用于
○所要寻找的操作数与现行指令位置间隔固定的场合 -
堆栈寻址方式
●隐含寻址方式的一种变形○其隐含的操作数在堆栈段中○由栈顶指针指定
●8086堆栈指令举例○入栈指令 PUSH SRC
◆sP-2→sP;sRC→[SP
O出栈指令 POP DST
[sP]→DsT;SP+2→SP
例题
例题：
例题：
设某机字长16位,直接寻址空间为128字,变址时的位移量为-64~+63,16个通用寄存器都可以作为变址寄存器,请设计一套指令系统,满足下列寻址类型的要求：
(1)直接寻址的二地址指令3条
(2)变址寻址的一地址指令6条
(3)寄存器寻址的二地址指令8条;
(4)直接寻址的一地址指令12条;
(5)零地址指令32条。
● 直接寻址的二地址指令3条
○这3条指令的操作码为00、01、10;
● 变址寻址的一地址指令6条:
○这6条指令的操作码为:11000~11101
● 寄存器寻址的二地址指令8条:
这8条指令的操作码为11110000~11110111直接寻址的一地址指令12条:
这12条指令的操作码为:111110000~111111011
● 零地址指令32条:
这32条指令的操作码为:
111111000000000~11111110000111
例题：
某计算机数据线和地址线均是8根,有一条相对寻址的无条件转移指令存于内存的20H单元中,指令给出的偏移量是15H,设该指令占用2个字节,请计算:
(1)取该条指令时PC的内容。
(2)该指令执行结束时Pc的内容。
解答：
(1)取指令时,PC的内容为20H
(2)转移地址=PC+2+D=20H+2+15H=37H
该条指令执行结束时PC的内容是37H。
例题：
某指令系统指令字长为20位,具有双操作数、单操作数和无操作数3种指令格式,每个操作数地址规定用6位表示,当双操作数指令条数取最大值,而且单操作数指令条数也取最大值时,这3种指令最多可能拥有的指令数各是多少?
解:按操作码扩展技术来设计,双操作数指令最多28-1条,单操作数指令最多63条,因此无操作数指令条数的最大值为64条
例题
某机器字长为16位,主存容量是64K字,有专用的变址寄存器,采用单字长单地址指令,共有54条指令。试采用直接、立即、变址、相对四种寻址方式设计指令格式。解答
○54条指令,故操作码需要6位。因为四种寻址方式,所以寻址特征位取2位,余下的8位作为形式地址D。其指令格式为
O寻址模式X定义如下:
X=00直接寻址有效地址E=D(256个单元)
X=01立即寻址D=操作数
X=10变址寻址有效地址E=®+D(64K)
X=11相对寻址有效地址E=(PC)+D(64K)其中R为变址寄存器(16位)、PC为程序计数器(16位)相对寻址和变址寻址中,D可正可负。
