指令系統(tǒng)課件與部分習題

《計算機組成原理》第七章指令系統(tǒng)軟件硬件邏輯功能：計算0+1機器指令：0010001匯編語言：ADDr1,r2王戰(zhàn)紅手機號嗎：第七章指令系統(tǒng)7.1、指令系統(tǒng)概述7.2、指令的格式

7.2.1、地址碼結構

7.2.2、操作碼結構7.3、指令的尋址方式（10種）7.4、指令的類型與功能（6類）7.5、RISC和CISC的比較在一個有限的存儲空間里，對于任何可解的問題，編制計算程序時，指令系統(tǒng)提供的指令足夠使用。指令系統(tǒng)的完備性1）數(shù)據(jù)傳送類指令功能：實現(xiàn)將數(shù)據(jù)從發(fā)送地址傳送到目的地址，發(fā)送過程中數(shù)據(jù)不變。（即傳送與復制）

傳送范圍：寄存器R-寄存器R，存儲器M-寄存器R，存儲器M-存儲器M

傳送單位：按字節(jié)、字、字符串、數(shù)據(jù)塊等

MOVAL,BL（字節(jié)）MOVAX,BX（字）

MOVSB（字符串）REPMOVSB（數(shù)據(jù)塊）傳送數(shù)據(jù)取值：原值傳送，取補，取反，零值傳送主要包括：取數(shù)指令、存數(shù)指令、傳送指令、成組傳送指令、字節(jié)交換指令、清累加器指令、堆棧操作指令等等。7.4、指令的類型與功能功能設置考慮問題2）算術運算類指令功能：實現(xiàn)各種算術運算（大型機中有向量運算指令，直接對整個向量或矩陣進行求和、求積運算）。主要包括：二進制定點加、減、乘、除指令，浮點加、減、乘、除指令，求反、求補指令，算術移位指令，算術比較指令，十進制加、減運算指令等。指令舉例：

ADD加法 SUB 減法

MUL乘法 DIV 除法

NEG求補 ABS求絕對值

INC+1 DEC-17.4、指令的類型與功能功能設置考慮問題（在算術運算中講過的問題都要考慮）：二/十進制運算；定點/浮點運算；整數(shù)/小數(shù)運算；是否規(guī)格化；固定字長/變字長運算；半字長/全字長/雙字長運算等等。3）邏輯運算類指令功能：把一個數(shù)據(jù)字看做是一個位數(shù)組，分別處理每一位。主要包括：邏輯加、邏輯乘、按位加、邏輯移位等指令，移位指令用來對寄存器的內(nèi)容實現(xiàn)左移、右移或循環(huán)移位。指令舉例：

AND與OR或COM非（求反）EOR異或7.4、指令的類型與功能設置功能設置考慮問題：不同指令的功能設置與邏輯運算規(guī)律有關系。4）移位類指令功能：實現(xiàn)邏輯移位，循環(huán)移位，算術移位。

主要包括：算術右移，算術左移，邏輯右移，邏輯左移，循環(huán)右移，循環(huán)左移功能設置考慮問題： 數(shù)據(jù)格式：字符移位，字移位 移位參數(shù)：移動一位的次數(shù)與移動方向 被移動的寄存器地址 補位的方法。指令舉例：SHLAL,1寄存器AL左移1位

MOVDL,5SHLAL,DL寄存器AL左移5位7.4、指令的類型與功能設置5）程序控制（轉(zhuǎn)移）類指令功能：實現(xiàn)控制程序的執(zhí)行順序和選擇程序的運行方向。它是計算機的智能機構，設置較為復雜。程序執(zhí)行的三大結構：順序、分支、循環(huán)順序：PC+1；分支：分支點（必須設置比較測試指令與條件轉(zhuǎn)移指令）匯合點（必須設置無條件轉(zhuǎn)移指令）；循環(huán)：循環(huán)次數(shù)已知（計數(shù)跳指令LOOP）循環(huán)次數(shù)未知

7.4、指令的類型與功能設置A=B?執(zhí)行A執(zhí)行A分支點匯合點調(diào)用子程序：主程序調(diào)用子程序時，重點考慮主程序與子程序的鏈接。子程序是一個公共程序，主程序可以在任意一地址調(diào)用它，設置一條無條件轉(zhuǎn)移指令轉(zhuǎn)向子程序的入口地址就可以了，但是從子程序返回主程序地址時設置返回指令。轉(zhuǎn)移地址可以通過鏈接寄存器，或堆棧進行操作。利用堆?？梢詫崿F(xiàn)子程序嵌套調(diào)用。7.4、指令的類型與功能設置6）輸入輸出指令

功能：控制輸入輸出設備的工作，完成計算機與輸入輸出設備之間的數(shù)據(jù)交換。根據(jù)不同的機器結構，功能設置方式不同：1）內(nèi)存與輔存統(tǒng)一編制；2）輔存單獨編址。7.4、指令的類型與功能設置第七章指令系統(tǒng)7.1、指令系統(tǒng)概述7.2、指令的格式

7.2.1、地址碼結構

7.2.2、操作碼結構7.3、指令的尋址方式（9種）7.4、指令的類型與功能（6類）7.5、RISC和CISC的比較

系統(tǒng)指令復雜龐大，各種指令使用頻度相差大

指令長度不固定、指令格式種類多、尋址方式多

訪存

指令不受限制

大多數(shù)指令需要多個時鐘周期

執(zhí)行完畢

采用微程序

控制器

CPU中設有專用寄存器

難以

用優(yōu)化編譯

生成高效的目的代碼

7.5、RISC和CISC的比較CISC的主要特征

選用使用頻度較高的一些簡單指令，復雜指令的功能由簡單指令來組合

指令長度固定、指令格式種類少、尋址方式少

只有LOAD/STORE

指令訪存

采用流水技術一個時鐘周期

內(nèi)完成一條指令

采用組合邏輯

實現(xiàn)控制器

CPU中有多個

通用寄存器

采用優(yōu)化

的編譯

程序

7.5、RISC和CISC的比較RISC的主要特征7.5、RISC和CISC的比較1、RISC更能充分利用VLSI芯片的面積2、RISC更能提高計算機運算速度指令數(shù)、指令格式、尋址方式少，通用寄存器多，采用組合邏輯，便于實現(xiàn)指令流水3、RISC便于設計，可降低成本，提高可靠性4、RISC

有利于編譯程序代碼優(yōu)化

5、RISC不易

實現(xiàn)指令系統(tǒng)兼容

RISC相對CISC的優(yōu)勢指令系統(tǒng)小結軟件硬件計算機系統(tǒng)包括硬件和軟件兩大組成部分。硬件：指構成計算機的CPU、主存、外設等物理裝置。軟件：系統(tǒng)軟件和各種用戶應用軟件。指令：CPU的控制器發(fā)布的操作命令。指令系統(tǒng)：一臺計算機所能執(zhí)行的全部指令的集合。 一臺特定的計算機只能執(zhí)行自己指令系統(tǒng)中的指令。因此，指令系統(tǒng)就是計算機的機器語言。軟硬件分工就在指令系統(tǒng)軟件在指令系統(tǒng)上設計程序，和硬件設計沒有任何關系硬件設計去實現(xiàn)指令系統(tǒng)的操作，所以要了解指令的結構。指令：CPU的控制器發(fā)布的操作命令。指令格式：一條指令應完成以下功能：

執(zhí)行什么操作？（操作碼）操作數(shù)到哪里去??？結果送到哪里？（地址碼）為了使程序自動執(zhí)行還應該指出下一條指令的地址。操作碼地址碼MOVr，mADD r1，r2指令的操作碼：用于指明本條指令的操作功能。例如：算術加、減，邏輯與、或，讀、寫內(nèi)存，讀、寫外設……

指令的地址碼：用于給出被操作數(shù)的地址。包括：參加運算的一或多個操作數(shù)地址，運算結果的保存地址……指令系統(tǒng)小結操作碼地址碼指令格式小結：固定長度（IBM/PC）擴展長度（PDP-11）交叉安排（NOVA）四地址三地址二地址單地址零地址三種方案按操作數(shù)個數(shù)劃分指令系統(tǒng)小結

尋址方式 操作數(shù)地址 操作數(shù)存放位置1）立即尋址 指令中2）隱含尋址隱含指定某寄存器號特定寄存器3）直接尋址存儲單元地址 內(nèi)存4）寄存器直接尋址寄存器號 寄存器5）間接尋址存儲單元地址——存儲單元地址內(nèi)存6）寄存器間接尋址寄存器號——存儲單元地址內(nèi)存7）相對尋址 PC+A（可變） 內(nèi)存8）基址尋址基址寄存器+A（可變） 內(nèi)存9）變址尋址A+變址寄存器（可變） 內(nèi)存10）堆棧尋址SP

堆棧

指令系統(tǒng)小結一個較完善的指令系統(tǒng)應當包含數(shù)據(jù)傳送類指令、算術運算類指令、邏輯運算類指令、程序控制類指令、I/O類指令、系統(tǒng)控制類指令。RISC指令系統(tǒng)是CISC指令系統(tǒng)的改進，它的最大特點是：1）指令條數(shù)少；2）指令長度固定，指令格式和尋址種類少；3）只有取數(shù)／存數(shù)指令訪問存儲器；其余指令的操作均在寄存器之間進行。指令系統(tǒng)小結例1）某16位機器所使用的指令格式和尋址方式如下所示，該機有兩個

20位基址寄存器，四個16位變址寄存器，十六個16位通用寄存器，指令格式中的S（源），D（目標）都是通用寄存器，

M是主存中的一個單元。三種指令的操作碼分別是

MOV（OP＝AH），傳送指令；

STA（OP＝1BH），寫數(shù)指令；

LDA（OP＝3CH），讀數(shù)指令?？佳蓄}目精選要求：分析三種指令的指令格式與尋址方式特點。解：第一種指令是單字長二地址指令，RR型；第二種指令是雙字長二地址指令，RS型，其中S采用基址尋址或變址尋址，R由源寄存器決定；第三種也是雙字長二地址指令，RS型，其中R由目標寄存器決定，

S由20位內(nèi)存地址（直接尋址）決定?？佳蓄}目精選要求：CPU完成哪一種操作所花時間最短？哪一種所花時間最長？第二種指令的執(zhí)行時間有時會等于第三種指令的執(zhí)行時間嗎？解：處理機完成第一種指令所花時間最短，因為是RR型指令，不需要訪問存儲器。第二種指令所花時間最長，因為是RS型指令，需要訪問存儲器，同時要進行尋址方式的變換運算（基址或變址），這也需要時間。第二種指令的執(zhí)行時間不會等于第三種指令，因為第三種指令雖然也訪問存儲器，但節(jié)省了求有效地址運算的時間開銷?？佳蓄}目精選要求：下列情況下每個十六進制指令字分別代表什么操作？其中如果有編碼不正確，如何改正才能成為合法指令？①(F0F1)H(3CD2)H②(2856)H③（6FD6)H④（1C2)H解：已知MOV（OP＝AH）＝001010，

STA（OP＝1BH）＝011011，

LDA（OP＝3CH）＝111100,

將指令的十六進制格式轉(zhuǎn)換成二進制代碼，比較后可知：①（F0F1）H（3CD2）H指令代表LDA指令，編碼正確，其含義是把主存（13CD2）H地址單元的內(nèi)容取至15號寄存器。

111100001111

0001 0011110011010010考研題目精選解：②（2856）H指令代表MOV指令，編碼正確，含義是把6號源寄存器的內(nèi)容傳送至5號目標寄存器。

001010000101

0110

③（6FD6）H是單字長指令，一定是MOV指令，但編碼錯誤，可改正為（28D6）H

011011111101

0110→001010111101

0110④（1C2）H是單字長指令，代表MOV指令，但編碼錯誤，可改正為（28C2）H。

0000000111000010→00101001

1100

0010考研題目精選

例3）某機字長32位，CPU內(nèi)有32個32位通用寄存器，設計一種能容納

64種操作的指令系統(tǒng)，設指令字長等于機器字長，存儲器按字節(jié)編址。1）如果主存可直接或間接尋址，采用寄存器—存儲器型指令，能直接尋址的最大存儲空間是多少？畫出指令格式。2）如果采用通用寄存器作為基址寄存器，則上述寄存器---存儲器型指令的指令格式有何特點？畫出指令格式并指出這類指令可訪問多大的存儲空間?？佳蓄}目精選解：操作碼6尋址特征1寄存器號5內(nèi)存單元地址20操作碼6尋址特征1寄存器號5形式地址15寄存器號5直接尋址空間220因為基址寄存器號5位，間接尋址空間232例4）某機存儲器容量為64K*16位，該機訪存指令格式如下：考研題目精選解：1）16種操作。操作碼4尋址模式2間址1形式地址8變址1其中，尋址00直接尋址，01基址尋址，10相對尋址，11立即