計(jì)算機(jī)組成原理7

ALUCPU主機(jī)I/O設(shè)備CU主存CPUCUALU完成對(duì)數(shù)據(jù)的暫存及運(yùn)算處理基本運(yùn)算規(guī)則基本硬件配置指揮各部件協(xié)同運(yùn)行節(jié)拍分析CU設(shè)計(jì)邏輯微程序硬布線指令第７章指令系統(tǒng)7.1機(jī)器指令7.2操作數(shù)類型和操作類型7.3尋址方式7.4指令格式舉例7.5RISC技術(shù)重點(diǎn)：1、機(jī)器指令格式及編碼

2、尋址方式3、RISC主要特點(diǎn)及其與CISC的區(qū)別難點(diǎn)：1、指令格式設(shè)計(jì)特別是確定指令字中各字段的位數(shù)及其含義

2、尋址方法與地址格式關(guān)系指令：機(jī)器完成某種操作（運(yùn)算）的命令。指令系統(tǒng)：機(jī)器可執(zhí)行全部指令集合。程序：為解決某特定問(wèn)題而設(shè)計(jì)的有序指令集合（完成某種運(yùn)算處理功能的指令代碼序列）。指令表現(xiàn)形式：二進(jìn)制代碼——機(jī)器指令（機(jī)器語(yǔ)言）助記符——匯編指令（匯編語(yǔ)言）指令字長(zhǎng)：指令代碼二進(jìn)制的位數(shù)。指令是計(jì)算機(jī)運(yùn)行及用戶使用計(jì)算機(jī)的最小功能單位。指令的格式、功能、尋址方式與CPU組成結(jié)構(gòu)、指令執(zhí)行步驟關(guān)系密切。

指令系統(tǒng)評(píng)價(jià)：完備性——常用指令齊全，編程方便。高效性——占內(nèi)存空間小，運(yùn)行速度快。規(guī)整性——規(guī)則統(tǒng)一，易學(xué)易記。兼容性——同一系列機(jī)的兼容性。指令系統(tǒng)決定了一臺(tái)計(jì)算機(jī)的功能，指令系統(tǒng)確定，硬件必須給予支持。硬件核心作用：實(shí)現(xiàn)指令功能，執(zhí)行機(jī)器指令程序。7.1機(jī)器指令一、指令的一般格式操作碼字段

地址碼字段1.操作碼（OP）：指明指令操作功能(1)

長(zhǎng)度固定(2)

長(zhǎng)度可變（擴(kuò)展操作碼）長(zhǎng)度：二進(jìn)制位數(shù)指明被操作信息（指令或數(shù)據(jù)）位置（地址）操作數(shù)定位：指令或數(shù)據(jù)存放的位置立即操作數(shù)寄存器操作數(shù)內(nèi)存操作數(shù)

I/O操作數(shù)（隱含操作數(shù)）2.地址碼（Ad）：指令操作數(shù)地址(1)四地址(2)三地址OPA1A2A3A4OPA1A2A3地址碼字段地址碼個(gè)數(shù)：(3)二地址OPA1A2(4)一地址OPA1(5)零地址OP

模型機(jī)指令系統(tǒng):操作碼地址碼指令格式：OP(6b)Ad(10b)可操作類型(指令個(gè)數(shù))26可訪問(wèn)存儲(chǔ)空間210(000H----3FFH)功能指令助記符操作碼地址碼

ACC←

[M]000001…………LDAM

[M]←ACC000010…………STAMACC←ACC+

[M]000011…………ADDM

ACC←

ACC

*[M]000100…………MULM打印←

[M]000101…………PRTM停機(jī)000110HALTZACC←ACC∩DataAND#DataZ=1PC←

addrJZaddr模型機(jī)指令系統(tǒng)：二、指令字長(zhǎng)：指令代碼二進(jìn)制位數(shù)指令字長(zhǎng)決定于操作碼的長(zhǎng)度(指令字長(zhǎng)=存儲(chǔ)字長(zhǎng))2.指令字長(zhǎng)可變操作數(shù)地址的長(zhǎng)度操作數(shù)地址的個(gè)數(shù)1.指令字長(zhǎng)固定按字節(jié)的倍數(shù)變化指令長(zhǎng)度與執(zhí)行速度及硬件復(fù)雜度相關(guān)。常用指令盡可能短。盡可能減少訪存次數(shù)。分析：1、固定操作碼方式指令結(jié)構(gòu)及可容納指令條數(shù)；

2、擴(kuò)展操作碼方式指令結(jié)構(gòu)及可構(gòu)成指令條數(shù)。三、指令編碼模型機(jī)指令字長(zhǎng):16位基本操作碼：6b地址碼：10b1、固定操作碼方式：操作碼地址碼OP(6b)Ad(10b)可容納指令條數(shù)：26可訪問(wèn)存儲(chǔ)空間210(000H----3FFH)2、擴(kuò)展操作碼方式：操作碼地址碼000000000001111110…AAA…111111111111111111…000000000011111…000000000111111…63條一地址指令共？條1024條零地址指令=(26-X)210條若X條一地址指令？零地址指令可有多種指令結(jié)構(gòu)方案【例：P301圖7.2】指令字長(zhǎng)：16b基本操作碼：4b地址碼：4b分析：1、固定操作碼長(zhǎng)度指令結(jié)構(gòu)及可容納指令條數(shù)；

2、擴(kuò)展操作碼方式指令結(jié)構(gòu)及可構(gòu)成指令條數(shù)。1、OPA1A2A3444416條三地址指令分析：固定操作碼方式2、擴(kuò)展操作碼方式操作碼的位數(shù)隨地址數(shù)的減少而增加OPA1A2A3000000011110…A1A1A1…A2A2A2…A3A3A3…A2A2A2…A3A3A3…111111111111…000000011110…111111111111…111111111111…111111111111…000000011111…111111111111…111111111111…A3A3A3…000000011110…4位操作碼8位操作碼12位操作碼16位操作碼最多15條三地址指令最多15條二地址指令最多15條一地址指令16條零地址指令共61條

2、擴(kuò)展操作碼方式操作碼的位數(shù)隨地址數(shù)的減少而增加OPA1A2A3000000011110…A1A1A1…A2A2A2…A3A3A3…A2A2A2…A3A3A3…111111111111…000000011110…111111111111…111111111111…111111111111…000000011111…111111111111…111111111111…A3A3A3…000000011110…4位操作碼8位操作碼12位操作碼16位操作碼三地址指令操作碼每減少一種可多構(gòu)成24種二地址指令二地址指令操作碼每減少一種可多構(gòu)成24

種一地址指令可有多種指令結(jié)構(gòu)方案7.2操作數(shù)類型和操作種類一、操作數(shù)類型地址數(shù)字字符邏輯數(shù)無(wú)符號(hào)整數(shù)定點(diǎn)數(shù)、浮點(diǎn)數(shù)、十進(jìn)制數(shù)ASCII邏輯運(yùn)算位二、數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)器中的存放方式字地址為低字節(jié)地址字地址為高字節(jié)地址37621540字地址04低字節(jié)04512673字地址04低字節(jié)字地址與字節(jié)地址數(shù)據(jù)邊界：存儲(chǔ)單元地址設(shè)機(jī)器字長(zhǎng)4B：

字節(jié)半字/2字/4雙字/8存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)存放：邊界對(duì)準(zhǔn)邊界未對(duì)準(zhǔn)三、操作類型1.

數(shù)據(jù)傳送2.算術(shù)邏輯運(yùn)算8086：

ADDSUBMULDIVINCDECCMPNEGAAAAASAAMAADANDORNOTXORTEST模型機(jī)：LDAM

、STAM8086：MOVPUSHPOPINOUT模型機(jī)：ADDM

、MULM

、AND#Data3.移位操作4.轉(zhuǎn)移(1)無(wú)條件轉(zhuǎn)移8086:JMP(2)條件轉(zhuǎn)移8086：SALSHLSARSHRRORROL模型機(jī)：JZaddr8086：JZ/JNZ、JC/JNC

……(3)調(diào)用和返回CALLSUB1......CALLSUB2…...CALLSUB2…RETRET主程序地址200021002101子程序SUB1240025002501256025612700主存空間分配程序執(zhí)行流程子程序SUB2...(4)陷阱（中斷）指令8086：INTnINTOIRET…………研究問(wèn)題：如何在指令中表示一個(gè)操作數(shù)地址信息

——尋址方式如何用這種表示得到操作數(shù)或怎樣計(jì)算出操作數(shù)地址

——尋址過(guò)程7.3尋址方式操作數(shù)可存放位置——操作數(shù)定位：

（隱含操作數(shù)）立即操作數(shù)寄存器操作數(shù)內(nèi)存操作數(shù)

I/O操作數(shù)

操作數(shù)個(gè)數(shù)——指令功能決定形式(邏輯)地址：表示在指令中的地址。物理(有效)地址(EA)：形式地址結(jié)合某些規(guī)則(即尋址方式)，計(jì)算出的操作數(shù)在存儲(chǔ)器中的存儲(chǔ)單元地址。操作數(shù)尋址：指令代碼地址——指令尋址數(shù)據(jù)地址——數(shù)據(jù)尋址7.3尋址方式一、指令尋址順序：(PC)+1PC尋找下一條欲執(zhí)行指令地址跳躍(轉(zhuǎn)移)：××××PC(PC)+××××PC絕對(duì)跳躍相對(duì)跳躍PC:

(PC)+1PC××××PC(PC)+××××PCPC計(jì)數(shù)器：74161——實(shí)驗(yàn)三相對(duì)尋址：有效地址計(jì)算部件或ALU二、數(shù)據(jù)(oprd)尋址約定：

指令字長(zhǎng)=存儲(chǔ)字長(zhǎng)=機(jī)器字長(zhǎng)形式地址A操作碼尋址特征1.隱含尋址操作數(shù)地址隱含在操作碼中ADDA操作數(shù)主存尋址特征AACC暫存ALU另一個(gè)操作數(shù)隱含在ACC中

指令字中少了一個(gè)地址字段，可縮短指令字長(zhǎng)。2.立即尋址

指令執(zhí)行階段不訪存

A的位數(shù)限制了立即數(shù)的范圍OP#A立即尋址特征立即數(shù)（補(bǔ)碼）oprd=im=A

3.寄存器尋址oprd=Ri

執(zhí)行階段不訪存，只訪問(wèn)寄存器，執(zhí)行速度快OPRi尋址特征操作數(shù)…………R0RiRn寄存器有效地址即為寄存器編號(hào)4.直接尋址EA=A操作數(shù)主存尋址特征LDAAAACC執(zhí)行階段訪問(wèn)一次存儲(chǔ)器

A的位數(shù)決定了該指令操作數(shù)的尋址范圍有效地址由形式地址直接給出oprd=[EA]=[A]5.間接尋址EA=[A]有效地址由形式地址間接提供OPA尋址特征AEA主存EAA1EAA1主存EA10指令執(zhí)行階段2次或多次訪存可擴(kuò)大尋址范圍OPA尋址特征A一次間址多次間址操作數(shù)操作數(shù)oprd=[EA]=[[A]]EA=Ri

6.寄存器間接尋址

有效地址在寄存器中，操作數(shù)在存儲(chǔ)器中，執(zhí)行階段訪存。操作數(shù)主存OPRi尋址特征地址…………R0RiRn寄存器有效地址在寄存器中oprd=[EA]=[Ri

]7.基址尋址(1)專用寄存器作基址寄存器EA=BR+ABR為基址寄存器OPA操作數(shù)主存尋址特征ALUBR

可擴(kuò)大尋址范圍

有利于多道程序

BR內(nèi)容由操作系統(tǒng)或管理程序確定

在程序的執(zhí)行過(guò)程中BR內(nèi)容不變，形式地址A可變oprd=[EA](2)

通用寄存器作基址寄存器操作數(shù)主存尋址特征ALUOPR0AR0

作基址寄存器由用戶指定哪個(gè)通用寄存器作為基址寄存器通用寄存器R0Rn-1R1…基址寄存器的內(nèi)容由操作系統(tǒng)確定在程序的執(zhí)行過(guò)程中R0內(nèi)容不變，形式地址A可變oprd=[EA]

EA=Ri+A8.變址尋址EA=IX+AOPA操作數(shù)主存尋址特征ALUIX可擴(kuò)大尋址范圍便于處理數(shù)組問(wèn)題

IX的內(nèi)容由用戶給定IX為變址寄存器在程序的執(zhí)行過(guò)程中IX內(nèi)容可變，形式地址A不變oprd=[EA]

9.相對(duì)尋址

EA=PC+AA是相對(duì)于當(dāng)前指令的位移量（補(bǔ)碼）A的位數(shù)決定操作數(shù)的尋址范圍程序浮動(dòng)

廣泛用于轉(zhuǎn)移指令----相對(duì)轉(zhuǎn)移操作數(shù)尋址特征ALUOPA相對(duì)距離A1000PC

…主存1000AOPoprd=[EA]

=PC10.堆棧尋址堆棧硬堆棧軟堆棧多個(gè)寄存器指定的存儲(chǔ)空間先進(jìn)后出（一個(gè)入出口）棧頂?shù)刂酚蒘P

指出–11FFFH+12000H進(jìn)棧（SP）–?SP出棧（SP）+?SP棧頂棧底2000HSP2000H……1FFFHSP1FFFH棧頂棧底進(jìn)棧出棧

1FFFH棧頂

2000H棧頂模型機(jī)指令分析：操作碼地址碼OP(6b)Ad(10b)7.4指令格式及尋址方式舉例功能指令助記符操作碼地址碼

ACC←

[M]000001…………LDAM

[M]←ACC000010…………STAMACC←ACC+

[M]000011…………ADDM

ACC←

ACC

*[M]000100…………MULM打印←

[M]