第6章：指系统.ppt

计算机的自动计算过程归跟到底是执行一条条指令的过程。而一条指令就是给计算机下达的一道命令，它告诉计算机每一步应做什么操作，参与操作的数来自何处，操作结果又将送到什么地方。这就是说，一条指令必须包含有指出操作类型的操作码，以及指出操作数在什么地方的地址码。通常一台计算机能够完成多种类型的操作，而且可用多种方法形成操作数的地址码，因此一台计算机可有多种多样的指令，这些指令的集合就称指令系统。本章我们将要学习计算机指令系统的有关问题：指令的格式，指令的分类，指令寻址方式。第第6 6章章 指令系统指令系统 1 1 指令的分类指令的分类 通过前面的学习，我们已经知道构成一条指令有两大要素：操作码和地址码。其中操作码表明该指令要进行的操作。按操作码的不同，指令可分为四大类：1、数据处理类 2、数据传送类 3、程序控制类 4、CPU状态管理类一、数据处理类指令这一类指令实现堆数据加工（算术运算，逻辑运算，移位操作，比较大小），执行这类指令后将会产生新的结果数据。1、算术运算：加法、减法、增1和减12、逻辑运算：与，或，非，异或3、移位指令：逻辑移位，算术移位，循环移位4、比较指令：作减法，根据差值设置标志寄存器5、十进制指令：十进制数加、减法。二、数据传送类：这一类指令可实现数据在计算机上各部件之间的传送。寄存器 寄存器，存储器 寄存器，寄存器 I/O端口，存储器 I/O端口执行这类指令后将不改变原数据，只是将源地址内的数据复制到目标地址中。1、存储器传送指令：取数，存数，（存储单元 寄存器）2、寄存器传送指令：实现寄存器 寄存器（内部传送指令）3、I/O指令：输入（in），输出（OUT），CPU I/O4、堆栈指令：压栈（push）,出栈（pop）三、程序控制类指令：这一类指令是用来改变程序的执行顺序1、转移指令：条件转移，无条件转移。2、调用指令；call3、返回指令：RET4、陷阱指令（中断指令）四、CPU状态管理类指令：这一类指令用来设置CPU的状态1、中断状态指令：允许中断，屏幕中断2、复位指令3、空操作指令 以上我们只是介绍了一些主要指令，很显然，指令的种类越多，指令系统的功能就越强，但控制器的结构也就越复杂。2 2 指令的格式指令的格式 一、操作码的组织与编排 表示指令要完成的操作，长度取决于指令系统中指令的条数。一般说来，一个包含n位的操作码，做多能表示2n条指令。操作码分为：主操作码（基本操作）和辅助操作码（各种附加操作，移位，进位等）操作码有三种组织方式：（1）定长的操作码：每一条指令的操作码长度均相同。优点：简化硬件设计，提高指令译码和识别速度 缺点：当指令长度较短时，操作数地址的尾数就会严重不足。适用：字长较长的大、中、小型机的指令系统。（2）变长的操作码：指令的操作码的长度不尽相同。使用频率高而地址码要求多的指令用较少位表示操作码；对地址码要求少的指令用较多位表示操作码；对无操作数的指令整个指令字均用作操作码。优点：在比较短的指令字中，既能表示出比较多的指令条数，又能尽量满足操作数地址的要求。缺点：硬件设计复杂，指令译码和识别速度较慢 适用：字长较短的计算机系统 以上两种方案，操作码一般在指令字的最高位部分。（3）操作码和操作数地址有所交叉不同的指令操作码长度不同，而且与表示操作数地址码的字段有所交叉。优点：操作码不再集中在指令字的最高位，而是与表示操作数地址码的字段有所交叉。缺点：硬件设计复杂，指令译码和识别速度较慢 适用：这种方案不常用。二、地址码的设计安排地址码指出参与操作的数据或存储位置。1、操作数的来源、去处（1）CPU内部的通用寄存器 最快，与运算器速度匹配，MOV R2,R1（2）内存的一个单元 次之，与运算器速度不匹配，尽量少访问 MOV R2,R1（3）外设接口中的寄存器 最慢，较少使用，如 input(port)三、指令格式：指一条指令中操作码和地址码的安排方式。按一条指令中所包含的地址码的个数，指令分为：1、四地址指令 （如下图）功能：从源地址（source Address）A1和A2中取出两个操作数，进行OP操作，并将结果送入目标地址（object address）A3中。可以记作:A3 (A1)OP(A2)，由A4给出下一条指令地址说明：（1）源地址和目标地址可以是某个存储单元也可以是运算器中的寄存器（2）（A1）和（A2）分别表示地址为A1和A2单元中的内容（3）不带括号A3则表示地址。特点：（1）直观明了（2）地址码太长，指令字太长，信息利用率低。（3）访问内存次数太多，执行速度慢。（4）下一条指令地址在指令中指出，程序转移不方便，现已淘汰。2、三地址指令 （如下图）功能：从A1和A2中取出两个操作数，进行OP操作，并将结果送入A3中。可以记作:A3 (A1)OP(A2)，由PC给出下一条指令地址特点：指令字仍较长，访内存次数较多，一般大型机中用。3、二地址指令 （如下图）功能：从A1和A2中取出两个操作数，进行OP操作，并将结果送入A2中。可以记作:A2 （A1）OP（A2），A2既是源地址又是目标地址。由PC给出下一条指令地址 特点：指令字仍较短，访内存次数较少，经常使用。4、单地址指令格式 功能：由PC给出下一条指令地址。ACC OP A1 ACC（累加器），ACC中既放操作数，又放操作结果。如 加1，减1等指令 特点：指令字长短，访内存次数少，执行速度快，在微机中广泛使用。5、零地址指令格式是一种特殊的没有地址码的指令。常见的有：（1）空操作指令（2）停机指令（3）堆栈操作指令。前两种无需操作数，而堆栈指令有操作数的地址，只是它是由专用寄存器SP给出，因此指令中不需要操作数地址。堆栈：指用作数据暂存的一组寄存器或一片存储区域。它像一只口袋，其口袋底称为“堆栈”它的地址是预先约定好的。这种特征很显然带来数据只能一端（袋口）进或去，从而形成先进去的后出来，后进去反而先进来。这种方式称为“先进先出”。堆栈按组成分为：硬堆栈（寄存器堆栈）和软堆栈（内存中的指定区域）。很显然，硬堆栈比软堆栈速度快。堆栈按方向分为：自底向上和自顶向下两种。堆栈有两端：一端叫栈底，另一端叫栈顶，且由SP指针指示。堆栈有两种操作：（1）压栈：先修改SP，后存数据。（2）出栈：先取出数据，后修改SP。6、寄存器型地址格式指令 （如下图）操作数均放在寄存器中。也有单地址、二地址和三地址之分。特点：（1）执行指令不用访问内存，速度快。（2）受寄存器个数的限制。【总结】1、上述六种指令格式，并非所有的计算机都有。2、零地址、单地址和二地址指令，具有指令短，执行速度快，硬件实现简单的特点，多为结构简单，字长较短的小型机、微机所采用。3、二地址指令、三地址和四地址指令，具有功能强、编程方便等特点，多为字长较长的大、中型机所采用。4、但不能一概而论，因还与指令本身的功能有关。如：停机指令，不管什么类型的计算机都有。四、指令字长指令字长：是一条指令中所包含的二进制位数。等于操作码长度与地址码长度之和。1、指令字长与机器字长有何关系？无固定关系。指令字长大于，等于，小于机器字长。一般来讲：微、小型机中，指令字长机器字长；大、中型机中，指令字长=机器字长。2、确定指令字长的原则 指令字长尽可能短：节省内存空间，提高执行速度，提高代码的利用率。指令字长等于字节的整数倍：许多机器采用变长指令，但字长取为字节的整数倍，以避免存储空间的浪费。3 3 寻址方式寻址方式 寻址方式就是寻找地址的方式。那么寻找谁的地址呢？在计算机中有两种地址需要寻找。（1）是指令的地址（称为指令寻址）：如何找到指令，这是由PC寄存器来实现的。（2）是操作数的地址（称为操作数寻址）：如何找到操作数或找到操作数的地址。操作数的地址分为：（1）形式地址（D）：指令中给出的地址。（2）有效地址（EA）：操作数的真正地址（物理地址）。形式地址有时可以是有效地址。寻址方式与计算机硬件结构密切相关，对指令格式、功能也有很大影响。从程序员角度看，寻址方式与汇编程序设计，高级语言的编译程序设计的关系都极为密切。一、立即寻址：指令的地址码就是操作数。（如下图）特点：（1）执行指令时不访问内存，速度快。（2）立即数的位数受字长的限制。（3）使用不灵活，操作数的改变需重新设计指令。二、直接寻址：指令中的形式地址就是操作数的有效地址。特点：（1）直观，比立即寻址灵活，但需两次访内存。（2）寻址空间受字长限制。三、间接寻址：指令中的形式地址是操作数有效地址的地址。间接寻址可以分为：一次寻址和多次寻址。一次间址：形式地址是操作数地址的地址。多次间址：指令中设间址特征位，此位为1，继续间址，直至此位为0.（如下图）特点：（1）执行速度比直接寻址慢。访内存三次以上。（2）可扩大寻址空间（3）便于编程：改变操作数，不用改指令，只改存储单元内容即可。四、隐含寻址：一个操作数隐含在累加器（ACC）中。（如下图）ACC OP（）ACC五、変址寻址（Index Addressing）（如下图）有效地址EA=（IX）+D六、基址寻址（Base Addressing）有效地址EA=（BX）+D 【基址寻址和变址寻址的比较】（如下图）相同：有效地址的形成方式相同，都能扩大寻址空间。不同：（1）基址寻址中，基址寄存器BX提供基准量，形式地址提供偏移量，这个偏移量位数较少。而变址寻址中，变址寄存器IX提供偏移量，形式地址提供基准量，这个基准量位数较多，足以表示整个存储空间。(2)基址寄存器的内容不由用户确定，而由操作系统确定，一般是在把用户程序的逻辑地址转变为存储器的物理地址时用；而変址寄存器的值由用户确定，且可随意改变。七、复合寻址：变址与间址的复合。（1）先变址后间址：有效地址EA=（IX）+D）（2）先间址后変址：有效地址EA=（D）+（IX）例如：（如下图）八、相对寻址：形式地址给出的是相对于PC的偏移量。主要用于转移指令。（如下图）有效地址EA=（PC）+D相对寻址与变址寻址的区别：变址寄存器可以是多个寄存器中的一个，可以由用户定。而相对寻址的寄存器已确定为PC，故无须在程序中指定。九、页面寻址（扩充寻址）（如下图）扩充地址寄存器内容作高位页面地址，形式地址作低位页内地址，二者联合形成有效地址。十、寄存器寻址（如下图）主机中设置了许多寄存器，以存放操作数、中间运算结果和最终结果。目的是为了提高运算速度，因对寄存器的操作比对内存的操作快得多。寄存器寻址可分为两种：（1）寄存器直接寻址和寄存器间接寻址（如下图）其中寄存器间接寻址又可以分成两种：（如下图）（1）自增型寄存器间址EA=（Ri），Ri=（Ri）+1（或2）先操作，后修改（2）自减型寄存器间址Ri=（Ri）-1（或2），EA=（Ri）先修改，后操作十一、堆栈寻址：通过堆栈指针SP来指示操作数地址。【总结】（1）一台机器，可能只用其中几种寻址方式。（2）机器不同，即使寻址方式相同，其表达方式和含义也可不同。如页面寻址的页面地址可以是扩充地址寄存器的内容；也可以是PC的高位。4 4 指令的执行方式指令的执行方式 一、指令的执行过程每一条指令的执行大致可分为三步：取指令 分析指令 执行指令二、指令的执行方式1、顺序方式：指一条指令接着一条指令的执行方式。这种方式的特点：控制简单，执行速度慢2、重叠方式：指多条指令的某些操作同时进行。从而提高了整个程序的执行的速度。这种方式的特征：对于每一个指令仍是按取指令分析指令和执行指令三步顺序执行的。要实现这种方式，很显然，控制技术复杂而且还需要解决三个方面的问题。(1)分析指令和取指令重叠中的访主存冲突问题 主存在同一时刻只能有一个存储单元被访问，而分析指令和取指令都必须访问主存，要想让这两个操作同时执行，理论上是不可能实现的，除非有如下可能。A:主存允许同时被多操作访问。（多体交叉存储器）B：设置两个存储器，独立编址，一个放数据一个放指令。C：设置一个指令缓冲寄存器。在分析一条指令还没有要求取操作数时，把下一条指令取出来放到指令缓冲寄存器中。(2)执行与分析重叠中的转移指令所带来的问题 当第i条指令为转移指令，转到第j条，这样与第i条执行重叠进行的分析第i+1条指令白做了。(3)数相关问题 第i条的结果刚好是第i+1条的操作数，此时，容易发生错误，第i+1条取数时，而第i条还没有送过来。3、流水线方式 把指令的执行过程分为若干个子过程，每一个子过程由不同的硬件去执行的方式。优点：程序执行速度快 缺点：硬件结构复杂取指令时间12345123451234512345分析指令取数执行指令三、指令周期与机器周期，时钟周期。1、指令周期：指从取指令到该指令执行完成所需的全部时间。一个指令周期是由若干个机器周期组成。2、机器周期：指CPU访问一次主存或I/O端口所需要的时间。一个机器周期是由若干个时钟周期组成的。3、时钟周期：（主频，CPU的工作频率）是CPU处理操作的最小时间单位。又称T状态。示例：假定一个指令周期由2个机器周期，每个机器周期都由4个时钟周期组成，若计算机的主频为800MHZ，请问这样的实计算机一秒钟可执行多少条指令。解：T=42 10-6=10-8=0.01s则n=1s/0.01s=108条=100万条=10MIPS取指令分析指令执行指令TTTTTTTTT5 5 应用举例应用举例 例1：设机器字长16位，内存容量64K，指令为单字长指令，由50种操作，采用页面、间接和直接三种寻址方式。试问：（1）指令格式如何安排？（2）存储器能划分为多少页面？每页多少单元？（3）能否再增加其他寻址方式？如能，能增加几种？解：（1）因为有50种操作、寻址方式由3种，说明操作码至少要6位、寻址方式至少要2位。故地址码最多占16-6-2=8位。因此指令格式可以如下安排：（2）因为形式地址为8位，最多可寻址28=256个单元，说明每一页的单元数位256个单元，故可划分的页面=64K/256=256页。（3）因为寻址方式占2位，最多可以有4种方式，现只用了3种，故能增加，但只能增加一种。：例2、某机器采用三地址格式指令，试问完成一条加法指令共需访问几次内存？若该机器指令系统共能完成60种不同的操作，且MAR为10位，试问该机器的指令格式。解：（1）三地址指令的一般格式为：取指令一次，去操作数D1一次，去操作数D2一次，存结果D3一次，故共需访问内存四次。（2）要完成60种操作，故操作码的位数最少为6位；又MAR为10位，说明D1，D2，D3均为10位，地址码一共需30位。由此可以确定该机器的指令格式应为：整个指令字长位36位。：例3：某指令系统的指令字长为12位，每个地址码长3位，试提出一种分配方案，使该指令系统有4条三地址指令，8条二地址指令，180条单地址指令。若二地址指令仅有7条，单地址指令最多可有多少条？解：（1）由于在该指令系统中有三大类指令：三地址指令，二地址指令和单地址指令，这就说明在设计指令格式时，首先要想办法将这三种指令区分开来，只有拿一些位出来作为特征位，且至少要两位。然而，对于三地址指令而言，地址码就需要33=9位，又要能表示4条，说明操作码最少需要2位，而指令字长只有12位，剩余的位数=12-9-2=1位，这就表明用两位作特征位是不可能的。那就只好先用1位特征位将三地址指令同二地址指令和单地址指令区分开来（设特征位为0，表示三地址指令，特征位为1，表示是二地址指令或单地址指令）。故三地址指令的格式如下：再看二地址指令有8条，即操作码最少需要3位，地址码共需23=6位，故剩余12-3-6-1=2位，这两位可以用来区分二地址指令和单地址指令（假设11表示二地址指令，那么00，01，10这三种情况可以用来表示单地址指令），故二地址指令的格式可设计如下：同时单地址指令的格式可设计如下：下面来考察如果单地址指令采用上述格式，能表示的单地址指令的条数=326=364=192条，完全能够满足要表示180条指令的要求。（2）若二地址指令仅有7条，则多出11 111 000111共8条，所以，单地址指令最多可有192+8=200条。1非1XXX