計(jì)算機(jī)組成原理第四章課件(白中英版)

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1、計(jì)算機(jī)組成原理,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),*,鄭州大學(xué)軟件學(xué)院,計(jì)算機(jī)組織與結(jié)構(gòu),2006,級(jí),單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),*,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),*,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),*,單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),第,*,頁,計(jì)算機(jī)組成原理,第四章指令系統(tǒng),計(jì)算機(jī)組成原理,任課教師：石磊,鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院計(jì)

2、算機(jī)系,Email:,Tel:13676986863,第一章,計(jì)算機(jī)系統(tǒng)概論,第二章,運(yùn)算方法和運(yùn)算器,第三章 存儲(chǔ)系統(tǒng),第四章 指令系統(tǒng),第五章 中央處理器,第六章 總線系統(tǒng),第七章 外圍設(shè)備,第八章 輸入輸出系統(tǒng),第九章 并行組織,目錄,教材,白中英，計(jì)算機(jī)組成原理,網(wǎng)絡(luò)版，科學(xué)出版社，,2002,參考書,石磊，計(jì)算機(jī)組成原理,第,2,版,清華大學(xué)出版社，,2006,錢曉捷，微型計(jì)算機(jī)原理及應(yīng)用,清華大學(xué)出版社，,2006,王愛英,計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu),第,3,版,清華大學(xué)出版社，,2001,白中英 鄺堅(jiān)，計(jì)算機(jī)組織與結(jié)構(gòu),網(wǎng)絡(luò)版，科學(xué)出版社，,2003,4,.1,指令系統(tǒng)的發(fā)展與性能要求,4

3、.2,指令格式,4.3,指令和數(shù)據(jù)的尋址方式,4.4,堆棧尋址方式,4.5,典型指令,第,4,章 指令系統(tǒng),4,.1指令系統(tǒng)的發(fā)展與性能,要求,指令系統(tǒng)決定了計(jì)算機(jī)的基本功能，指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)核心問題。它不僅與計(jì)算機(jī)的硬件設(shè)計(jì)緊密相關(guān)，而且直接影響到系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的難易程度,。,完善的計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)應(yīng)具備：,1,、,完備性：,一臺(tái)計(jì)算機(jī)中最基本的、必不可少的指令構(gòu)成了指令系統(tǒng)的完備性。,2,、,有效性：,指利用該指令系統(tǒng)所提供的指令編制的程序能夠產(chǎn)生高效率。高效率主要表現(xiàn)在空間和時(shí)間方面，即占用存儲(chǔ)空間小、執(zhí)行速度快。,3,、,規(guī)整性：,指令操作的對(duì)稱性和勻齊性，指令格式與

4、數(shù)據(jù)格式的一致性。,（,1,）對(duì)稱性：在指令系統(tǒng)中，所有寄存器和存儲(chǔ)單元都可同等對(duì)待，這對(duì)簡化程序設(shè)計(jì)，提高程序的可讀性非常有用。,（,2,）勻齊性：是指一種操作性質(zhì)的指令可以支持各種數(shù)據(jù)類型。,（,3,）指令的格式與數(shù)據(jù)格式的一致性：指令長度與數(shù)據(jù)長度有一定關(guān)系，以方便存取和處理。,4,、,兼容性：,兼容性一般是指計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本相同，機(jī)器之間具有相同的基本結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)表示和共同的基本指令集合。,程序、指令、指令系統(tǒng)、指令格式,計(jì)算機(jī)的程序是由一系列的指令組成,指令是要計(jì)算機(jī)執(zhí)行某種操作的命令,指令系統(tǒng)是一臺(tái)計(jì)算機(jī)中所有指令的集合,決定計(jì)算機(jī)的基本功能，軟件與硬件的界面,是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)

5、計(jì)的一個(gè)核心問題,指令格式是用二進(jìn)制代碼表示的指令形式,由操作碼字段和地址碼字段組成,操作碼：表示指令進(jìn)行什么性質(zhì)的操作,地址碼：指定參與操作的操作數(shù)地址,4,.2指令格式,計(jì)算機(jī)的指令格式與機(jī)器的字長、存儲(chǔ)器的容量及指令的功能密切相關(guān)。,指令操作碼與地址碼,兩個(gè)字段：操作碼字段,+,操作數(shù)地址字段：,1.,操作碼,操作碼是指明指令操作性質(zhì)的命令碼。它提供指令的操作控制信息。,（,1,）,每條指令都要求它的操作碼必須是獨(dú)一無二的位組合。,（,2,）,指令系統(tǒng)中指令的個(gè)數(shù),N,與操作碼的位數(shù),n,，,必須滿足關(guān)系式：,N2,n,2.,操作數(shù)地址碼,（,1,）地址碼：用來描述該指令的操作對(duì)象。,（

6、,2,）指令字長,=,操作碼的位數(shù),+(,操作數(shù)地址個(gè)數(shù),)*(,操作數(shù)地址碼位數(shù),),地址碼字段,AC,操作碼字段,OC,地址碼,操作碼,A1,A2,A3,操作碼,A1,A2,操作碼,A,操作碼,三地址指令,二地址指令,單地址指令,零地址指令,指令操作碼與地址碼,一、指令格式,1.,零地址指令格式,這是一種沒有操作數(shù)地址部分的指令格式。,這種指令有兩種可能：,（,1,）無需任何操作數(shù)。如空操作指令，停機(jī)指令等。,（,2,）所需的操作數(shù)是默認(rèn)的：堆棧。,操作碼,OC,指令操作碼與地址碼,A,、,堆棧的概念,（,a,）,是若干個(gè)存儲(chǔ)單元,(,或寄存器,),的有序集合，它順序地存放一組元素。,（,

7、b,）,數(shù)據(jù)的存取都只能在棧頂單元內(nèi)進(jìn)行，即數(shù)據(jù)的進(jìn)棧與出棧都只能經(jīng)過棧頂單元這個(gè)“出入口”。,（,c,）,堆棧中的數(shù)據(jù)采用“先進(jìn)后出”或“后進(jìn)先出”的存取工作方式。,B,、,堆棧結(jié)構(gòu)在計(jì)算機(jī)中的作用,（,a,）,具有堆棧結(jié)構(gòu)的機(jī)器使用零地址指令，這不僅合指令長度短，指令結(jié)構(gòu)簡單，機(jī)器硬件簡化。,（,b,）,實(shí)現(xiàn)程序調(diào)用，子程序嵌套調(diào)用和遞歸調(diào)用。,（,c,）,對(duì)于“中斷”技術(shù)，堆棧更是不可缺少的，保存“斷點(diǎn)”和“現(xiàn)場”。,指令操作碼與地址碼,C,、,堆棧的操作,設(shè)數(shù)據(jù)進(jìn)棧方向?yàn)閺母叩刂废虻偷刂钒l(fā)展，當(dāng)向堆棧壓入數(shù)據(jù)時(shí)，,SP,的內(nèi)容先自動(dòng)遞減而指向一個(gè)新的空棧頂單元，再把數(shù)據(jù)寫入此棧頂單元；

8、當(dāng)數(shù)據(jù)彈出堆棧時(shí)，立即讀出,SP,所指向的棧頂單元內(nèi)容，再把,SP,內(nèi)容自動(dòng)遞增而指向新的棧頂位置。即,PUSH X,；,(SP)-1,SP,(X),(SP),POP X,；,(SP),X,(SP)+1,SP,指令操作碼與地址碼,2.,一地址指令格式,（,1,）指令中給出的一個(gè)地址即是操作數(shù)的地址，又是操作結(jié)果的存儲(chǔ)地址。如加,1,、減,1,、移位等單操作數(shù)指令。,（,2,）在某些計(jì)算機(jī)中，指令中提供的一個(gè)地址提供一個(gè)操作數(shù)，另一個(gè)操作數(shù)是由機(jī)內(nèi)硬件寄存器“隱含”地自動(dòng)提供的。所謂“隱含”是指此操作數(shù)在指令中不出現(xiàn)，而是按照事先約定由寄存器默認(rèn)提供，運(yùn)算結(jié)果仍送到寄存器中。因?yàn)檫@個(gè)寄存器在連續(xù)

9、運(yùn)算時(shí)，保存著多條指令連續(xù)操作的累計(jì)結(jié)果，故稱為累加器,(AC),。,AC1,操作碼,OC,指令操作碼與地址碼,3.,二地址指令格式,（,1,）,把保存操作前原來操作數(shù)的地址稱為源點(diǎn)地址,(SS),，,把保存指令執(zhí)行結(jié)果的地址稱為終點(diǎn)地址或目的地址,(DD),。,（,2,）,將源點(diǎn)與終點(diǎn)操作數(shù)進(jìn)行操作碼規(guī)定的操作后，將結(jié)果存入終點(diǎn)地址。通常二地址指令又稱為雙操作數(shù)指令。,例如，雙操作數(shù)加法指令：,ADD R,0,，,R,1,表示將,R,0,寄存器的內(nèi)容和,R,1,寄存器的內(nèi)容相加以后，將結(jié)果存入,R,1,寄存器中。,又如,ADD (R,0,),，,R,1,表示將,R,0,寄存器的內(nèi)容作為地址，

10、到內(nèi)存中取出該地址所指向的單元內(nèi)容作為源點(diǎn)操作數(shù)，和作為終點(diǎn)操作數(shù)的,R,1,寄存器的內(nèi)容相加以后，將結(jié)果存入,R,1,寄存器中。,AC1,操作碼,OC,AC2,指令操作碼與地址碼,4.,三地址指令格式,其操作是對(duì),AC1,、,AC2,指出的兩個(gè)操作數(shù)進(jìn)行操作碼所規(guī)定的操作，并將結(jié)果存入,AC3,中。例如：,ADD X Y Z,含義為,（,X,）,+,（,Y,）,Z,即,X,單元內(nèi)容加上,Y,單元內(nèi)容，結(jié)果送,Z,單元中。,AC1,操作碼,OC,AC3,AC2,指令操作碼與地址碼,5.,多地址指令格式,例如四地址指令格式。,（,1,）含義：,ADD X Y Z W,A,、（,X,）,+,（,Y

11、,）,Z,B,、（,W,）,下一條指令地址,（,2,）特點(diǎn)：,A,、,直觀明了；,B,、,程序執(zhí)行的流向明確；,C,、,操作數(shù)和結(jié)果可以分散在內(nèi)存各處。,D,、,但是指令字長度太長。,AC1,操作碼,OC,AC4,AC3,AC2,指令操作碼與地址碼,指令格式設(shè)計(jì)準(zhǔn)則,1,、指令字長要短，以得到時(shí)間和空間上的優(yōu)勢(shì)。,2,、指令字長必須有足夠的長度。,3,、指令字長一般應(yīng)是機(jī)器字符長度的整數(shù)倍以便存儲(chǔ)系統(tǒng)的管理。若機(jī)器中字符碼長是,L,位，則機(jī)器字長最好是,L,，,2L,，,4L,，,8L,等。,4,、指令格式的設(shè)計(jì)還與如何選定指令中操作數(shù)地址的位數(shù)有關(guān)。,例如，對(duì)同一容量,(,如,64KB),的

12、存儲(chǔ)器,（,1,）,若取存儲(chǔ)單元為一字節(jié)長，則需要,16,位地址碼，,（,2,）,若存儲(chǔ)單元長度為,32,位，則只需,14,位地址碼。,方案（,1,）對(duì)字符操作方便，但地址碼位數(shù)多，,方案（,2,）地址碼位數(shù)少，很有利，但字符操作困難，分辯率低。,（存儲(chǔ)器分辯率：指存儲(chǔ)器能被區(qū)分、識(shí)別與操作的精細(xì)程度）,指令字長與擴(kuò)展方法,一、操作碼和地址碼間的權(quán)衡（操作碼有兩種編碼格式）,1,、,固定格式：操作碼長度固定，且集中放在指令字的一個(gè)字段中。,2,、,可變格式：即操作碼長度可變，且分散地放在指令字的不同字段中。,二、擴(kuò)展操作碼,1,、要點(diǎn)：,（,1,）,操作碼位數(shù)隨地址碼個(gè)數(shù)變化采取可變長度的類型

13、；,（,2,）,指令間指令碼一定不重復(fù)；,（,3,）,根據(jù)需要靈活變通。,指令字長與擴(kuò)展方法,2,、比較,假設(shè)一臺(tái)計(jì)算機(jī)指令字長,16,位，操作碼與地址碼都為,4,位，如圖所示。,（,1,）,方法一：固定格式，則最多可以設(shè)計(jì),16,條三地址指令,AC1,操作碼,OC,AC3,AC2,指令字長與擴(kuò)展方法,（,2,）,方法二：擴(kuò)展操作碼，具體方法如下：,A,、,4,位,OC,中用,0000-1110,定義,15,條三地址指令，留編碼,1111,作為擴(kuò)展標(biāo)志與下一個(gè),4,位組成一個(gè),8,位操作碼，引出二地址指令，則：,B,、（,a,）,若將,AC1,全部用作,2,地址指令的,OC,，,能再定義,16

14、,條,2,地址指令；,（,b,）,8,位,OC,中用,11110000-11111110,定義,15,條二地址指令，剩下的一個(gè)編碼,11111111,與下一個(gè),4,位組成一個(gè),12,位的操作碼，引出一地址指令；,（,c,）選,1111000011111101,共,14,條,2,地址指令，留,11111110,，,11111111,為擴(kuò)展標(biāo)志，再與,AC2,組合，以此類推。,C,、,若選,B,（,c,），,則可定義,31,條,1,地址指令，留一個(gè)編碼,111111111111,為擴(kuò)展標(biāo)志，與下一個(gè),4,位組成,16,位操作碼，引出,16,條零地址指令；,3,、擴(kuò)展操作碼的另一個(gè)演變是用操作碼中的

15、某一位或幾位來說明指令的格式與長度，或是說明操作數(shù)的特征。,例如：小型機(jī),PDP-11,是用操作碼最左邊一位,(,最高位,15,位,),來指明指令操作處理的數(shù)據(jù)字長度，當(dāng)?shù)?15,位,=0,，是字指令，操作數(shù)是,16,位長的字；當(dāng),15,位,=1,，是字節(jié)指令，操作數(shù)是,8,位長的字節(jié)。,指令集結(jié)構(gòu),ISA,堆棧型,操作數(shù)默認(rèn)在處理器內(nèi)置的堆棧，不需指明,如,Intel 80 x87,浮點(diǎn)處理器結(jié)構(gòu),累加器型,其中一個(gè)操作數(shù)默認(rèn)在累加器，不需指明,寄存器存儲(chǔ)器型（,RS,型）,一個(gè)操作數(shù)在寄存器，另一個(gè)在主存,例如,Intel 80 x86,整數(shù)處理器結(jié)構(gòu),寄存器寄存器型（,RR,型）,讀取存

16、儲(chǔ)器操作數(shù)只有,LOAD,指令，存儲(chǔ)存儲(chǔ)器操作數(shù)只有,STORE,指令，算術(shù)運(yùn)算,ALU,等操作均在寄存器之間進(jìn)行,例如大多數(shù),RISC,處理器,通用寄存器,GPR,結(jié)構(gòu),通用寄存器,GPR,（,General-Purpose Register,）,比存儲(chǔ)器快，是主要的應(yīng)用類型,寄存器寄存器結(jié)構(gòu)具有簡單、定長的指令編碼，采用簡單的代碼生成模式，每條指令執(zhí)行的時(shí)鐘周期相近。但其程序的指令條數(shù)多，目標(biāo)代碼較大,寄存器存儲(chǔ)器結(jié)構(gòu)可以直接訪問存儲(chǔ)器，容易對(duì)指令進(jìn)行編碼，生成的目標(biāo)代碼較小。但其操作數(shù)類型不同，需同時(shí)對(duì)存儲(chǔ)器和寄存器進(jìn)行編碼，指令執(zhí)行的時(shí)鐘周期數(shù)也不盡相同,Pentium,指令格式,Pentium,機(jī)的指令字長度可變：從字節(jié)到,12,字節(jié)，還可以帶前綴,非固定長度的指令格式是典型的,CICS,結(jié)構(gòu)特征,為了與它的前身,80486,保持兼容,希望能給編譯程序的編制以更多靈活的編程支持,前綴,操作碼,Mod-R/M,SIB,位移量,立即數(shù),04B 12B 01B 01B 04B 04B,例,1,分析指令格式的特點(diǎn),單字長二地址指令,操作碼字段,OP,長度為,7,位，可指定,128,條