第3章指令系统(2015).ppt
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计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院第第3章章指令系统指令系统计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院第第3章章指令和指令系指令和指令系统是是计算机中最基本的算机中最基本的概念。
指令是指示概念。
指令是指示计算机算机执行某些操作的行某些操作的命令,一台命令,一台计算机的所有指令的集合构成算机的所有指令的集合构成该机的指令系机的指令系统,也称指令集。
指令系,也称指令集。
指令系统是是计算机的主要属性,位于硬件和算机的主要属性,位于硬件和软件的件的交界面上。
本章将交界面上。
本章将讨论一般一般计算机的指令算机的指令系系统所涉及的基本所涉及的基本问题。
计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院第第3章章裸机裸机软件软件指令系统指令系统计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院第第3章章3.1指令格式指令格式3.2寻址技术寻址技术3.3堆栈堆栈与堆栈操作与堆栈操作3.4指令类型指令类型3.5指令系统的发展指令系统的发展计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院3.1指令格式指令格式3.1.1机器指令的基本格式机器指令的基本格式一条指令就是机器语言的一个语句,一条指令就是机器语言的一个语句,它是一组有意义的二进制代码。
指令的基它是一组有意义的二进制代码。
指令的基本格式如下:
本格式如下:
操作码字段操作码字段地址码字段地址码字段操作码操作码:
指明操作的性质及功能。
:
指明操作的性质及功能。
操作码操作码地址码地址码:
指明操作数的地址,特殊情况:
指明操作数的地址,特殊情况下也可能直接给出操作数本身。
下也可能直接给出操作数本身。
地址码地址码注意计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院3.1指令格式指令格式指令的长度是指一条指令中所包含的二进指令的长度是指一条指令中所包含的二进制代码的位数,它取决于操作码字段的长度、制代码的位数,它取决于操作码字段的长度、操作数地址的个数及长度。
指令长度应:
操作数地址的个数及长度。
指令长度应:
尽可能短尽可能短等于字节的整数倍等于字节的整数倍指令长度可以等于机器字长,也可以大于指令长度可以等于机器字长,也可以大于或小于机器字长。
或小于机器字长。
在一个指令系统中,若所有指令的长度都在一个指令系统中,若所有指令的长度都是相等的,称为定长指令字结构;若各种指令是相等的,称为定长指令字结构;若各种指令的长度随指令功能而异,称为变长指令字结构。
的长度随指令功能而异,称为变长指令字结构。
计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院3.1指令格式指令格式3.1.2地址码结构地址码结构一条一条双操作数指令双操作数指令的除操作码之外,还的除操作码之外,还应包含以下信息:
应包含以下信息:
第一操作数地址,用第一操作数地址,用A1表示;表示;第二操作数地址,用第二操作数地址,用A2表示;表示;操作结果存放地址,用操作结果存放地址,用A3表示;表示;下条将要执行指令的地址,用下条将要执行指令的地址,用A4表示。
表示。
这些信息可以在指令中明显的给出,称这些信息可以在指令中明显的给出,称为为显地址显地址;也可以依照某种事先的约定,用;也可以依照某种事先的约定,用隐含的方式给出,称为隐含的方式给出,称为隐地址隐地址。
下面以下面以双操作数指令双操作数指令为例讨论地址码结为例讨论地址码结构。
构。
计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院3.1指令格式指令格式1.四地址指令四地址指令OPOPAA11AA22AA33AA44(A1)OP(A2)A3A4=下条将要执行下条将要执行指令的地址指令的地址538+10020030040010020030050100200300400指令指令下一指令下一指令53指令指令538下一指令下一指令400+计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院10020030050指令指令下一指令下一指令53513.1指令格式指令格式2.三地址指令三地址指令OPOPAA11AA22AA33(A1)OP(A2)A3(PC)+1=下条将要执下条将要执行指令的地址行指令的地址程序计数器:
程序计数器:
存放当前指令地址存放当前指令地址指令指令538下一指令下一指令+100200300538+执行一条三地址指执行一条三地址指令需令需4次访问主存。
次访问主存。
100200300+计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院(A1)OP(A2)A13.1指令格式指令格式3.二地址指令二地址指令OPOPAA11AA22(PC)+1=下条将要执行下条将要执行指令的地址指令的地址A1中原存内容在中原存内容在指令执行后被破坏。
指令执行后被破坏。
目的操作数地址目的操作数地址源操作数地址源操作数地址执行一条二地址执行一条二地址指令需指令需4次访问主存。
次访问主存。
10020030050指令指令下一指令下一指令5351指令指令538下一指令下一指令+100200538+100200+计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院(Acc)OP(A1)Acc33.1指令格式指令格式4.一地址指令一地址指令OPOPAA11(PC)+1=下条将下条将要执行指令的地要执行指令的地址址累加寄存器累加寄存器执行一条一执行一条一地址指令需地址指令需2次访次访问主存。
问主存。
10020030050指令指令下一指令下一指令351指令指令3下一指令下一指令+100538+100+计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院3.1指令格式指令格式5.零地址指令零地址指令OPOP操作数地址是隐含的。
参加运算的操操作数地址是隐含的。
参加运算的操作数放在堆栈中,运算结果也放在堆栈中。
作数放在堆栈中,运算结果也放在堆栈中。
有关堆栈的概念将在稍后讨论。
有关堆栈的概念将在稍后讨论。
计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院3.1指令格式指令格式指令中地址个数的选取要考虑诸多的指令中地址个数的选取要考虑诸多的因素。
从缩短程序长度,用户使用方便,因素。
从缩短程序长度,用户使用方便,增加操作并行度等方面来看,选用三地址增加操作并行度等方面来看,选用三地址指令格式较好;从缩短指令长度,减少访指令格式较好;从缩短指令长度,减少访存次数,简化硬件设计等方面来看,一地存次数,简化硬件设计等方面来看,一地址指令格式较好。
对于同一个问题,用三址指令格式较好。
对于同一个问题,用三地址指令编写的程序最短,但指令长度最地址指令编写的程序最短,但指令长度最长,而用二、一、零地址指令来编写程序,长,而用二、一、零地址指令来编写程序,程序的长度一个比一个长,但指令的长度程序的长度一个比一个长,但指令的长度一个比一个短。
一个比一个短。
注意计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院3.1指令格式指令格式3.1.3指令的操作码指令的操作码指令系统中的每一条指令都有一个唯一指令系统中的每一条指令都有一个唯一确定的操作码,指令不同,其操作码的编确定的操作码,指令不同,其操作码的编码也不同。
为了能表示整个指令系统中的码也不同。
为了能表示整个指令系统中的全部指令,指令的操作码字段应当具有足全部指令,指令的操作码字段应当具有足够的位数。
够的位数。
指令操作码的编码可以分为指令操作码的编码可以分为规整型规整型和和非规整型非规整型两类:
两类:
规整型(定长编码)规整型(定长编码)非规整型(变长编码)非规整型(变长编码)注意计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院3.1指令格式指令格式1.规整型规整型操作码字段的位数和位置是固定的。
操作码字段的位数和位置是固定的。
假定:
指令系统共有假定:
指令系统共有m条指令,指令中条指令,指令中操作码字段的位数为操作码字段的位数为N位,则有如下关系式:
位,则有如下关系式:
Nlog2mIBM370机(字长机(字长32位)的指令可分为位)的指令可分为三种不同的长度形式:
半字长指令、单字长三种不同的长度形式:
半字长指令、单字长指令和一个半字长指令。
不论指令的长度为指令和一个半字长指令。
不论指令的长度为多少位,其中操作码字段多少位,其中操作码字段一律都是一律都是8位位,8位位操作码字段允许容纳操作码字段允许容纳256条指令,实际上在条指令,实际上在IBM370机中仅有机中仅有183条指令。
条指令。
计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理2012.10北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院3.1指令格式指令格式计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院3.1指令格式指令格式定长编码对于简化硬件设计,减少指定长编码对于简化硬件设计,减少指令译码的时间是非常有利的,存在着信息令译码的时间是非常有利的,存在着信息冗余。
冗余。
计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院3.1指令格式指令格式2.非规整型非规整型操作码字段的位数不固定,且分散地操作码字段的位数不固定,且分散地放在指令字的不同位置上。
放在指令字的不同位置上。
PDP-11机(字长机(字长16位)的指令分为单位)的指令分为单字长、两字长、三字长三种,操作码字段字长、两字长、三字长三种,操作码字段占占416位不等,可遍及整个指令长度。
位不等,可遍及整个指令长度。
操作码字段的位数和位置不固定将增操作码字段的位数和位置不固定将增加指令译码和分析的难度,使控制器的设加指令译码和分析的难度,使控制器的设计复杂化。
计复杂化。
计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院3.1指令格式指令格式计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院3.1指令格式指令格式最常用的非规整型编码方式是扩展操最常用的非规整型编码方式是扩展操作码法:
作码法:
让操作数地址个数多的指令(如三地让操作数地址个数多的指令(如三地址指令)的操作码字段短些,操作数地址址指令)的操作码字段短些,操作数地址个数少的指令(如一或零地址指令)的操个数少的指令(如一或零地址指令)的操作码字段长些。
作码字段长些。
注意计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院3.1指令格式指令格式例如:
设某机的指令长度为例如:
设某机的指令长度为16位,操位,操作码字段为作码字段为4位,有三个位,有三个4位的地址码字段,位的地址码字段,其格式为:
其格式为:
如果按照定长编码的方法,如果按照定长编码的方法,4位操作码位操作码字段最多只能表示字段最多只能表示16条不同的三地址指令。
条不同的三地址指令。
OPOPAA11AA22AA3344位位44位位44位位44位位计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理计算机组成原理北京理工大学计算机学院北京理工大学计算机学院3.1指令格式指令格式OPOPAA11AA22AA
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