組成原理課程4

1、1第四章第四章 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)4.1 指令系統(tǒng)的發(fā)展與性能要求4.2 指令格式4.3 操作數(shù)類型4.4 指令和數(shù)據(jù)的尋址方式4.5 典型指令4.6 ARM匯編語言返回24.1 指令系統(tǒng)的發(fā)展與性能要求指令系統(tǒng)的發(fā)展與性能要求4.1.1 指令系統(tǒng)的發(fā)展4.1.2 對指令系統(tǒng)性能的要求4.1.3 低級語言與硬件結(jié)構(gòu)的關(guān)系34.1.1 指令系統(tǒng)的發(fā)展指令系統(tǒng)的發(fā)展指令系統(tǒng)基本概念l指令：就是要計算機(jī)執(zhí)行某種操作的命令。從計算機(jī)組成的層次結(jié)構(gòu)來說，計算機(jī)的指令有微指令、機(jī)器指令和宏指令之分。微指令是微程序級的命令，它屬于硬件；l宏指令：由若干條機(jī)器指令組成的軟件指令，它屬于軟件；l機(jī)器指令：介于微指

2、令與宏指令之間，通常簡稱為指令，每一條指令可完成一個獨立的算術(shù)運算或邏輯運算操作。l本章所討論的指令，是機(jī)器指令。本章所討論的指令，是機(jī)器指令。l一臺計算機(jī)中所有機(jī)器指令的集合，稱為這臺計算機(jī)的指令系統(tǒng)。l指令系統(tǒng)是表征一臺計算機(jī)性能的重要因素，它的格式與功能不僅直接影響到機(jī)器的硬件結(jié)構(gòu)，而且也直接影響到系統(tǒng)軟件，影響到機(jī)器的適用范圍44.1.1 指令系統(tǒng)的發(fā)展指令系統(tǒng)的發(fā)展發(fā)展情況l復(fù)雜指令系統(tǒng)計算機(jī)，簡稱CISC。但是如此龐大的指令系統(tǒng)不但使計算機(jī)的研制周期變長，難以保證正確性，不易調(diào)試維護(hù)，而且由于采用了大量使用頻率很低的復(fù)雜指令而造成硬件資源浪費。l精簡指令系統(tǒng)計算機(jī)：簡稱RISC，人

3、們又提出了便于VLSI技術(shù)實現(xiàn)的精簡指令系統(tǒng)計算機(jī)。54.1.2 對指令系統(tǒng)性能的要求對指令系統(tǒng)性能的要求l完備性：完備性：完備性是指用匯編語言編寫各種程序時，指令系統(tǒng)直接提供的指令足夠使用，而不必用軟件來實現(xiàn)。完備性要求指令系統(tǒng)豐富、功能齊全、使用方便。一臺計算機(jī)中最基本、必不可少的指令是不多的。許多指令可用最基本的指令編程來實現(xiàn)。例如，乘除運算指令、浮點運算指令可直接用硬件來實現(xiàn)，也可用基本指令編寫的程序來實現(xiàn)。采用硬件指令的目的是提高程序執(zhí)行速度，便于用戶編寫程序。l有效性：有效性：有效性是指利用該指令系統(tǒng)所編寫的程序能夠高效率地運行。高效率主要表現(xiàn)在程序占據(jù)存儲空間小、執(zhí)行速度快。一般

4、來說，一個功能更強(qiáng)、更完善的指令系統(tǒng)，必定有更好的有效性。l規(guī)整性：規(guī)整性：規(guī)整性包括指令系統(tǒng)的對稱性、勻齊性、指令格式和數(shù)據(jù)格式的一致性。對稱性是指：在指令系統(tǒng)中所有的寄存器和存儲器單元都可同等對待，所有的指令都可使用各種尋址方式；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，如算術(shù)運算指令可支持字節(jié)、字、雙字整數(shù)的運算，十進(jìn)制數(shù)運算和單、雙精度浮點數(shù)運算等；指令格式和數(shù)據(jù)格式的一致性是指：指令長度和數(shù)據(jù)長度有一定的關(guān)系，以方便處理和存取。例如指令長度和數(shù)據(jù)長度通常是字節(jié)長度的整數(shù)倍。l兼容性：兼容性：系列機(jī)各機(jī)種之間具有相同的基本結(jié)構(gòu)和共同的基本指令集，因而指令系統(tǒng)是兼容的，即各機(jī)種

5、上基本軟件可以通用。但由于不同機(jī)種推出的時間不同，在結(jié)構(gòu)和性能上有差異，做到所有軟件都完全兼容是不可能的，只能做到“向上兼容”，即低檔機(jī)上運行的軟件可以在高檔機(jī)上運行。64.1.3 低級語言與硬件結(jié)構(gòu)的關(guān)系低級語言與硬件結(jié)構(gòu)的關(guān)系低級語言與高級語言關(guān)系比較內(nèi)容高級語言低級語言1對程序員的訓(xùn)練要求(1)通用算法(2)語言規(guī)則(3)硬件知識有較少不要有較多要2對機(jī)器獨立的程度獨立不獨立3編制程序的難易程度易難4編制程序所需時間短較長5程序執(zhí)行時間較長短6編譯過程中對計算機(jī)資源的要求多少74.2 指令格式指令格式4.2.1 操作碼4.2.2 地址碼4.2.3 指令字長度4.2.4 指令助記符4.2.

6、5 指令格式舉例l指令格式包括兩個方面：操作碼字段操作碼字段地址碼字段地址碼字段84.2.1 操作碼操作碼l設(shè)計計算機(jī)時，對指令系統(tǒng)的每一條指令都要規(guī)定一個操作碼。指令的操作碼OP表示該指令應(yīng)進(jìn)行什么性質(zhì)的操作，如進(jìn)行加法、減法、乘法、除法、取數(shù)、存數(shù)等等。不同的指令用操作碼字段的不同編碼來表示，每一種編碼代表一種指令。l組成操作碼字段的位數(shù)一般取決于計算機(jī)指令系統(tǒng)的規(guī)模。較大的指令系統(tǒng)就需要更多的位數(shù)來表示每條特定的指令。l等長（指令規(guī)整，譯碼簡單）l例如IBM 370機(jī)，該機(jī)字長32位，16個通用寄存器R0R15，共有183條指令；指令的長度可以分為16位、32位和48位等幾種，所有指令的

7、操作碼都是8位固定長度。l固定長度編碼的主要缺點是：信息的冗余極大，使程序的總長度增加。94.2.2 地址碼地址碼l根據(jù)一條指令中有幾個操作數(shù)地址，可將該指令稱為幾操作數(shù)指令或幾地址指令。三地址指令二地址指令單地址指令零地址指令104.2.2 地址碼地址碼l三地址指令l指令格式如下：l操作碼op 第一操作數(shù)A1 第二操作數(shù)A2 結(jié)果A3 l功能描述：l(A1) op(A2)A3l(PC) +1PCl這種格式雖然省去了一個地址，但指令長度仍比較長，所以只在字長較長的大、中型機(jī)中使用，而小型、微型機(jī)中很少使用。114.2.2 地址碼地址碼l二地址指令l其格式如下：l操作碼op第一操作數(shù)A1第二操作

8、數(shù)A2l 功能描述：l(A1) op(A2)A1l(PC)+1PCl二地址指令在計算機(jī)中得到了廣泛的應(yīng)用，但是在使用時有一點必須注意：指令執(zhí)行之后，A1中原存的內(nèi)容已經(jīng)被新的運算結(jié)果替換了。124.2.2 地址碼地址碼l二地址地址根據(jù)操作數(shù)的物理位置分為：lSS 存儲器-存儲器類型lRS 寄存器-存儲器類型lRR 寄存器-寄存器類型慢134.2.2 地址碼地址碼l一地址指令l指令格式為：l 操作碼op 第一操作數(shù)A1l功能描述：l(AC) op(A1) A1l(PC)+1PCl單操作數(shù)運算指令，如“+1”、“-1”、“求反”l指令中給出一個源操作數(shù)的地址144.2.2 地址碼地址碼l零地址指令

9、 l其格式為：l 操作碼opl“停機(jī)”、“空操作”、“清除”等控制類指令。op154.2.3 指令字長度指令字長度l概念l指令字長度（一個指令字包含二進(jìn)制代碼的位數(shù)）l機(jī)器字長：計算機(jī)能直接處理的二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位數(shù)。l單字長指令l半字長指令l雙字長指令l多字長指令多字長指令的優(yōu)缺點l優(yōu)點提供足夠的地址位來解決訪問內(nèi)存任何單元的尋址問題 ；l缺點必須兩次或多次訪問內(nèi)存以取出一整條指令，降低了CPU的運算速度，又占用了更多的存儲空間。l指令系統(tǒng)中指令采用等長指令等長指令的優(yōu)點：各種指令字長度是相等的，指令字結(jié)構(gòu)簡單，且指令字長度是不變的 ；l采用非等長指令非等長指令的的優(yōu)點：各種指令字長度隨指令功能

10、而異，結(jié)構(gòu)靈活，能充分利用指令長度，但指令的控制較復(fù)雜 。164.2.4 指令助記符指令助記符l由于硬件只能識別1和0，所以采用二進(jìn)制操作碼是必要的，但是我們用二進(jìn)制來書寫程序卻非常麻煩。l為了便于書寫和閱讀程序，每條指令通常用3個或4個英文縮寫字母來表示。這種縮寫碼叫做指令助記符用34個英文字母來表示操作碼，一般為英文縮寫不同的計算機(jī)系統(tǒng)，規(guī)定不一樣必須用匯編語言翻譯成二進(jìn)制代碼174.2.5 指令格式舉例指令格式舉例l8位微型計算機(jī)的指令格式l如8088，字長8位，指令結(jié)構(gòu)可變l包括單字長指令、雙字長指令和三字長指令l操作碼長度固定184.2.5 指令格式舉例指令格式舉例lMIPS R40

11、00指令格式lRISC計算機(jī)系統(tǒng)，32位字長，32個通用寄存器。R型（寄存器）指令：6位 5位 5位 5位 5位 6位 op rs rt rd shamt functI型（立即數(shù)）指令：6位 5位 5位 16位 op rs rt 常數(shù)或地址194.2.5 指令格式舉例指令格式舉例：ARM指令格式指令格式204.2.5 指令格式舉例指令格式舉例 Pentium指令格式l指令長度可變，最短1個字節(jié)，最長12個字節(jié)，典型的CISC指令系統(tǒng)指令前綴段取代操作數(shù)長度取代地址長度取代操作碼ModReg或操作碼R/MSIB位移量立即數(shù)214.2.5 指令格式舉例指令格式舉例例3 MIPS R4000匯編語言

12、中，寄存器$s0$s7對應(yīng)寄存器號為十進(jìn)制1623，寄存器$t0$t7對應(yīng)的寄存器號為815。請將下表4條匯編語言翻譯成對應(yīng)的機(jī)器語言十進(jìn)制數(shù)表示。224.3 操作數(shù)類型操作數(shù)類型4.3.1 一般的數(shù)據(jù)類型4.3.2 Pentium數(shù)據(jù)類型4.3.3 Power PC數(shù)據(jù)類型234.3.1 一般的數(shù)據(jù)類型一般的數(shù)據(jù)類型l地址數(shù)據(jù)地址數(shù)據(jù):地址實際上也是一種形式的數(shù)據(jù)。l數(shù)值數(shù)據(jù)數(shù)值數(shù)據(jù):計算機(jī)中普遍使用的三種類型的數(shù)值數(shù)據(jù)。l字符數(shù)據(jù)字符數(shù)據(jù):文本數(shù)據(jù)或字符串，目前廣泛使用ASCII碼。l邏輯數(shù)據(jù)邏輯數(shù)據(jù):一個單元中有幾位二進(jìn)制bit項組成，每個bit的值可以是1或0。當(dāng)數(shù)據(jù)以這種方式看待時，

13、稱為邏輯性數(shù)據(jù)。244.3.2 Pentium數(shù)據(jù)類型數(shù)據(jù)類型 常規(guī)整數(shù)序數(shù)未壓縮的BCD壓縮的BCD近指針位串字符串浮點數(shù)254.3.3 Power PC數(shù)據(jù)類型數(shù)據(jù)類型 無符號字節(jié)無符號半字有符號半字無符號字有符號字無符號雙字字節(jié)串浮點數(shù)264.4 指令和數(shù)據(jù)的尋址方式指令和數(shù)據(jù)的尋址方式4.4.1 指令的尋址方式4.4.2 操作數(shù)基本尋址方式4.4.3 尋址方式舉例274.4.1 指令的尋址方式指令的尋址方式l順序方式lPCl跳躍方式CAI284.4.2 操作數(shù)基本尋址方式操作數(shù)基本尋址方式l形成操作數(shù)有效地址的方法，稱為尋址方式。l例如，一種單地址指令的結(jié)構(gòu)如下：操作碼OP、變址X、間

14、址I、形式地址A294.4.2 操作數(shù)基本尋址方式操作數(shù)基本尋址方式CAI304.4.2 操作數(shù)基本尋址方式操作數(shù)基本尋址方式1、隱含尋址l指令中隱含著操作數(shù)的地址l如某些運算，隱含了累加器AC作為源和目的寄存器l如8086匯編中的STC指令，設(shè)置標(biāo)志寄存器的C為1 314.4.2 操作數(shù)基本尋址方式操作數(shù)基本尋址方式2、立即尋址l立即尋址是一種特殊的尋址方式，指令中在操作碼字段后面的部分不是通常意義上的操作數(shù)地址，而是操作數(shù)本身，也就是說數(shù)據(jù)就包含在指令中，只要取出指令，就取出了可以立即使用的操作數(shù)，因此，這樣的操作數(shù)被稱為立即數(shù)。l指令格式：操作碼OP 操作數(shù)A 324.4.2 操作數(shù)基本

15、尋址方式操作數(shù)基本尋址方式3、直接尋址l 指令中地址碼字段給出的地址A就是操作數(shù)的有效地址EA(Effective Address)，即EAA。334.4.2 操作數(shù)基本尋址方式操作數(shù)基本尋址方式4、間接尋址l 間接尋址意味著指令的地址碼部分給出的地址A不是操作數(shù)的地址，而是存放操作數(shù)地址的主存單元的地址，簡稱操作數(shù)地址的地址。操作數(shù)的有效地址的計算公式為：EA(A)344.4.2 操作數(shù)基本尋址方式操作數(shù)基本尋址方式5、寄存器尋址l在指令的地址碼部分給出CPU內(nèi)某一通用寄存器的編號，指令的操作數(shù)存放在相應(yīng)的寄存器中，即EA=Ri 優(yōu)點：(1)由于寄存器在CPU的內(nèi)部，指令在執(zhí)行時從寄存器中取

16、操作數(shù)比訪問主存要快得多；(2)由于寄存器的數(shù)量較少，因此寄存器編號所占位數(shù)也較少，從而可以有效減少指令的地址碼字段的長度。354.4.2 操作數(shù)基本尋址方式操作數(shù)基本尋址方式6、寄存器間接尋址 l為了克服間接尋址中多次訪存的缺點，可采用寄存器間接尋址，即將操作數(shù)放在主存儲器中，而操作數(shù)的地址放在某一通用寄存器中，然后在指令的地址碼部分給出該通用寄存器的編號，這時有EA=(Ri)l這種尋址方式的指令較短，并且在取指后只需一次訪存便可得到操作數(shù)，因此指令執(zhí)行速度較前述的間接尋址方式要快，也是目前在計算機(jī)中使用較為廣泛的一種尋址方式。364.4.2 操作數(shù)基本尋址方式操作數(shù)基本尋址方式7、偏移尋址

17、、偏移尋址l相對尋址：相對尋址：由程序計數(shù)器由程序計數(shù)器PC提供基準(zhǔn)地址，而指提供基準(zhǔn)地址，而指令的地址碼部分給出相對的位移量令的地址碼部分給出相對的位移量D，兩者相加后，兩者相加后作為操作數(shù)的有效地址，即：作為操作數(shù)的有效地址，即：EA(PC)D。374.4.2 操作數(shù)基本尋址方式操作數(shù)基本尋址方式l7、偏移尋址：基址尋址、偏移尋址：基址尋址l基址寄存器的位數(shù)可以設(shè)置得很長，從而可以在較大的存儲空間中尋址。384.4.2 操作數(shù)基本尋址方式操作數(shù)基本尋址方式l7、偏移尋址：變址尋址、偏移尋址：變址尋址l變址尋址就是將指令的地址碼部分給出的基準(zhǔn)地址A與CPU內(nèi)某特定的變址寄存器Rx中的內(nèi)容相加

18、，以形成操作數(shù)的有效地址。394.4.2 操作數(shù)基本尋址方式操作數(shù)基本尋址方式8、段尋址方式、段尋址方式存儲空間劃分為多段存儲空間劃分為多段404.4.2 操作數(shù)基本尋址方式操作數(shù)基本尋址方式l分寄存器堆棧、存儲器堆棧以先進(jìn)后出原理存儲數(shù)據(jù)414.4.2 操作數(shù)基本尋址方式操作數(shù)基本尋址方式例例4.4：將：將ARM匯編語言翻譯成機(jī)器語言。已知匯編語言翻譯成機(jī)器語言。已知5條條ARM指令格指令格式譯碼如下表所示：式譯碼如下表所示：設(shè)設(shè)r3寄存器中保存數(shù)組寄存器中保存數(shù)組A的基值，的基值，h放在寄存器放在寄存器r2中。中。C語言程序語言程序語句語句 A30=h+A30 可編譯成如下可編譯成如下3條

19、匯編語句指令：條匯編語句指令：LDR r5 , r3, #120;寄存器寄存器r5中獲得中獲得A30ADD r5 , r2 , r5 ,;寄存器寄存器r5中獲得中獲得h+A30STR r5 , r3, #120;將將h+A30存入到存入到A30請問這請問這3條匯編語言指令的機(jī)器語言是什么？條匯編語言指令的機(jī)器語言是什么？424.4.2 操作數(shù)基本尋址方式操作數(shù)基本尋址方式解：首先利用十進(jìn)制數(shù)來表示機(jī)器語言指令，然后轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制機(jī)器指令。解：首先利用十進(jìn)制數(shù)來表示機(jī)器語言指令，然后轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制機(jī)器指令。從表從表4.3中我們可以確定中我們可以確定3條機(jī)器語言指令：條機(jī)器語言指令：LDR指令在第指令

20、在第3字段（字段（opcond）用操作碼）用操作碼24確定。基值寄存器確定。基值寄存器3指定在指定在第第4字段（字段（Rn），目的寄存器），目的寄存器5指定在第指定在第6字段（字段（Rd），選擇），選擇A30（120304）的）的offset字段放在最后一個字段（字段放在最后一個字段（offset12）。）。ADD指令在第指令在第4字段（字段（opcode）用操作碼）用操作碼4確定。確定。3個寄存器操作（個寄存器操作（2、5和和5）分別被指定在第）分別被指定在第6、7、8字段。字段。STR指令在第指令在第3字段用操作碼字段用操作碼25確定，其余部分與確定，其余部分與LDR指令相同。指令相同。4

21、34.4.3 尋址方式舉例尋址方式舉例Pentium的尋址方式的尋址方式CAI444.4.3 尋址方式舉例尋址方式舉例方式算法立即作數(shù)=A寄存器LA=R偏移量LA=(SR)+A基址LA=(SR)+(B)基址帶偏移量LA=(SR)+(B)+A比例變址帶偏移量LA=(SR)+(I)S+A基址帶變址和偏移量LA=(SR)+(B)+(I)+A基址帶比例變址和偏移量 LA=(SR)+(B)+(I)S+A相對LA=(PC)+APentium的尋址方式的尋址方式454.4.3 尋址方式舉例尋址方式舉例例4 一種二地址RS型指令的結(jié)構(gòu)如下：6位 4位 1位 2位 16位 OP 通用寄存器 I X 偏移量D其中

22、I為間接尋址標(biāo)志位，X為尋址模式字段，D為偏移量字段。通過I，X，D的組合，可構(gòu)成如下尋址方式：請寫出6種尋址方式的名稱。464.4.3 尋址方式舉例尋址方式舉例例5 將ARM匯編語言翻譯成機(jī)器語言。已知5條ARM指令格式譯碼如下表所示：設(shè)r3寄存器中保存數(shù)組A的基址，h放在寄存器r2中。C語言程序語句A30=h+A30 可編譯成如下3條匯編語言指令：LDR r5,r3,#120;寄存器r5中獲得A30ADD r5,r2,r5;寄存器r5中獲得h+A30STR r5,r3,#120;將h+A30存入到A30請問這3條匯編語言指令的機(jī)器語言是什么？474.5 典型指令典型指令 4.5.1 指令的

23、分類指令的分類4.5.2 基本指令系統(tǒng)的操作基本指令系統(tǒng)的操作4.5.3 精簡指令系統(tǒng)精簡指令系統(tǒng)484.5.1 指令的分類指令的分類l數(shù)據(jù)傳送類指令l一般傳送指令： MOV AX，BXl數(shù)據(jù)交換指令： XCHGl堆棧操作指令： PUSH，POPl運算類指令l算術(shù)運算指令： 加、減、乘、除以及加1、減1、比較l邏輯運算指令： l移位指令 l程序控制類指令 l程序控制類指令用于控制程序的執(zhí)行方向，并使程序具有測試、分析與判斷的能力。l 輸入和輸出指令、字符串處理指令、特權(quán)指令、其他指令494.5.2 基本指令系統(tǒng)的操作基本指令系統(tǒng)的操作l20%和80%規(guī)律：CISC中大約有20%的指令使用頻率高

24、，占據(jù)了80%的處理機(jī)時間，而有80%的不常用指令只占用處理機(jī)的20%時間。lVLSI技術(shù)發(fā)展引起的問題lVLSI工藝要求規(guī)整性，而大量復(fù)雜指令控制邏輯極其不規(guī)整，給VLSI工藝造成了很大的困難。l現(xiàn)在用微程序?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜指令與用簡單指令組成的子程序相比，沒有多大的區(qū)別。因為現(xiàn)在控制存儲器和主存的速度差縮小。lCISC中，通過增強(qiáng)指令系統(tǒng)的功能，簡化了軟件，增加了硬件的復(fù)雜程度。然而指令復(fù)雜了，指令的執(zhí)行時間必然加長，從而使整個系統(tǒng)的執(zhí)行時間反而增加，因而在計算機(jī)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計中，軟硬件的功能分配必須恰當(dāng)504.5.3 精簡指令系統(tǒng)精簡指令系統(tǒng)l特點（采用流水線技術(shù)）l簡單而統(tǒng)一格式的指令譯碼；l大

25、部分指令可以單周期執(zhí)行l(wèi)只有LOAD/STORE可以訪問存儲器l簡單的尋址方式l采用延遲轉(zhuǎn)移技術(shù)l采用LOAD延遲技術(shù)l三地址指令格式l較多的寄存器l對稱的指令格式返回514.6 ARM匯編語言 匯編語言是計算機(jī)機(jī)器語言（二進(jìn)制指令代碼）進(jìn)行符號化的一種表示方法，每一個基本匯編語句對應(yīng)一條機(jī)器指令。表4.11列出了嵌入式處理機(jī)ARM的匯編語言。其中操作數(shù)使用16個寄存器（r0 , r1r12 , sp , Ir , pc）,230個存儲字（字節(jié)編址，連續(xù)的字的地址間相差4）。返回CAICAI表表4.11(上上)表表4.11(下下)524.6 ARM匯編語言 在進(jìn)行匯編語言程序設(shè)計時，可直接使用英文單詞或其縮寫表示指令，使用標(biāo)識表示數(shù)據(jù)或地址，從而有效地避免了記憶二進(jìn)制的指令代碼。不用由程序