理学组成原理.pptx
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1、对指令系统的要求对指令系统的要求完备性完备性:指令齐全,编程方便指令齐全,编程方便高效性:高效性:占内存少,运行省时占内存少,运行省时规整性:规整性:指令与运算规则统一指令与运算规则统一兼容性:兼容性:新旧机指令软件兼容新旧机指令软件兼容当前的计算机指令系统,从其构成的复杂和完备程度,当前的计算机指令系统,从其构成的复杂和完备程度,或者说设计中追求的不同的目标区分,可分为或者说设计中追求的不同的目标区分,可分为 CISC CISC 和和RISC RISC 两类:两类:RISCRISC(Reduced Instruction Set ComputerReduced Instruction Set
2、 Computer),通常称为通常称为精简指令系统的计算机,只有数目较少、格式与功能简单、精简指令系统的计算机,只有数目较少、格式与功能简单、运行高效的指令,追求的是计算机控制器实现简单,运行高运行高效的指令,追求的是计算机控制器实现简单,运行高速,更容易在单块超大规模集成电路中芯片内制做出来。速,更容易在单块超大规模集成电路中芯片内制做出来。CISC CISC(Complex Instruction Set ComputerComplex Instruction Set Computer),通常称通常称为复杂指令系统的计算机,是相对于为复杂指令系统的计算机,是相对于 RISC RISC 一词
3、而提出来的一词而提出来的一种说法。其特点是:指令条数多,格式多样,寻址方式复一种说法。其特点是:指令条数多,格式多样,寻址方式复杂,每条指令的功能强,优点是汇编程序设计容易些,但计杂,每条指令的功能强,优点是汇编程序设计容易些,但计算机控制器的实现困难多,很多指令被使用的机会并不多。算机控制器的实现困难多,很多指令被使用的机会并不多。返回返回第第1页页/共共49页页指令字长指令字长 指一条指一条指令中包含的二进制码位数指令中包含的二进制码位数。指令字长选取原则:指令字长选取原则:(1)长度尽可能短,以节省存储空间和提高长度尽可能短,以节省存储空间和提高 处理速度;处理速度;(2)指令中各信息位
4、利用率尽可能高。指令中各信息位利用率尽可能高。常见结构:常见结构:(1)等长指令字结构:等长指令字结构:指令系统的所有指令长度相等。指令系统的所有指令长度相等。特点:结构简单,通常取:指令字长特点:结构简单,通常取:指令字长=机器字长。机器字长。(2)变长指令字结构:变长指令字结构:各种指令长度不等,如半字长、各种指令长度不等,如半字长、单字长、双字长等等。特点:结构灵活,能充分利用指单字长、双字长等等。特点:结构灵活,能充分利用指令信息位,但指令的分析复杂。令信息位,但指令的分析复杂。指令字长指令字长第第2页页/共共49页页 操作码字段操作码字段 地址码字段地址码字段 返回返回指令的一般格式
5、:指令的一般格式:机器指令格式机器指令格式操作码操作码:表示指令的操作性质,即指令要表示指令的操作性质,即指令要 完成的功能。完成的功能。地址码地址码:指出操作数的地址,即指令操指出操作数的地址,即指令操 作对象所在的位置。作对象所在的位置。第第3页页/共共49页页 指令地址码字段的格式指令地址码字段的格式通常按所能给出的通常按所能给出的操作操作数地址的个数数地址的个数进行安排。常用的有以下格式。进行安排。常用的有以下格式。1、三地址指令、三地址指令 操作码操作码 A1 A2 A3(A1)OP(A2)A3 指令中的三个地址,指令中的三个地址,既可以是内存地址,也可以是既可以是内存地址,也可以是
6、通用寄存器号通用寄存器号,根据操作数所处位置有:,根据操作数所处位置有:存储器存储器存储器型(存储器型(SS型)指令型)指令寄存器寄存器寄存器型(寄存器型(RR型)指令型)指令存储器存储器寄存器型(寄存器型(SR型)指令型)指令地地 址址 码码 字字 段段第第4页页/共共49页页 3、一地址指令、一地址指令 操作码操作码 A (AC)OP(A)AC 4、零地址指令、零地址指令 操作码操作码适用于控制类指令或堆栈结构计算机,适用于控制类指令或堆栈结构计算机,(SP)OP(SP-1)SP-1 2、二地址指令、二地址指令 操作码操作码 A1 A2(A1)OP(A2)A1第第5页页/共共49页页 为了
7、表示不同功能的指令,指令格式中为每一为了表示不同功能的指令,指令格式中为每一条指令都要安排一个条指令都要安排一个唯一唯一的操作码。的操作码。操作码字段位数选取操作码字段位数选取原则原则:应能表示指令系统:应能表示指令系统中的中的全部指令全部指令。常用操作码格式:常用操作码格式:1、定长操作码、定长操作码指令系统中所有指令的操作码位数一致。指令系统中所有指令的操作码位数一致。特点:特点:译码结构简单,译码时间短。译码结构简单,译码时间短。常用于字长较长的大、中型机。常用于字长较长的大、中型机。操操 作作 码码 字字 段段第第6页页/共共49页页2、可变长操作码、可变长操作码指令系统中各种指令的操
8、作码位数不一致。指令系统中各种指令的操作码位数不一致。特点:特点:可充分利用指令信息位,有效地压缩操可充分利用指令信息位,有效地压缩操 作码的平均长度。作码的平均长度。广泛用于字长较短的广泛用于字长较短的 小、微型机。小、微型机。操作码的扩展方法操作码的扩展方法思想:思想:当指令总长度不变,且多种地址码结构当指令总长度不变,且多种地址码结构混合使用时,可使用地址码个数较少的指令空出的混合使用时,可使用地址码个数较少的指令空出的地址码部分,来增加操作码的位数。地址码部分,来增加操作码的位数。指令操作码扩展方法举例指令操作码扩展方法举例第第7页页/共共49页页15 12 11 6 5 0 OP A
9、1 A2 1111 000000 A 1111 000001 A 1111 111110 A 1010位操作码位操作码 2 26 6-1=63-1=63条条一地址指令一地址指令 1111 111111 000000 1111 111111 000001 1111 111111 111111 1616位操作码位操作码 2 26 6=64=64条条零地址指令零地址指令 0000 A1 A2 0001 A1 A2 1110 A1 A2 4 4位操作码位操作码 2 24 4-1=15-1=15条条二地址指令二地址指令第第8页页/共共49页页操作数类型:操作数类型:地地 址:址:在指令中出现为了获得操作
10、数,可看在指令中出现为了获得操作数,可看 作无符号整数。作无符号整数。数数 字:字:包括定点数、浮点数和十进制数。包括定点数、浮点数和十进制数。字字 符:符:包括单字符、字符串和文本。包括单字符、字符串和文本。逻辑数:逻辑数:逻辑数形式上与数值数据无区别,但逻辑数形式上与数值数据无区别,但 逻辑数逻辑数n位间无数值和位权关系,运位间无数值和位权关系,运 算时按位进行。算时按位进行。二、操作数类型和操作类型二、操作数类型和操作类型第第9页页/共共49页页 机器字长机器字长指指CPU一次能处理数据的最长位数。一次能处理数据的最长位数。为了支持各种不同数据类型,每台处理器能处理多为了支持各种不同数据
11、类型,每台处理器能处理多种不同字长数据。例如种不同字长数据。例如Pentium可处理数据字长有:可处理数据字长有:8(字节)、(字节)、16(字)、(字)、32(双字)、(双字)、64(四字);(四字);PowerPC可处理可处理8(字节)、(字节)、16(半字)、(半字)、32(字)、(字)、64(双字)。不同字长的数据在内存存放有两种方(双字)。不同字长的数据在内存存放有两种方式,即式,即边界对准边界对准和和边界不对准边界不对准。数据在存储器中的存放方式:数据在存储器中的存放方式:第第10页页/共共49页页 机器字长和存储字长均为机器字长和存储字长均为3232位,若位,若CPUCPU可处可
12、处理字节、半字、字和双字,采用理字节、半字、字和双字,采用“边界对准边界对准”方方式时,不同字长数据在内存存放形式如下:式时,不同字长数据在内存存放形式如下:双字双字字(地址字(地址8 8)字(地址字(地址0 0)字节(地址字节(地址7 7)字节(地址字节(地址5 5)字节(地址字节(地址6 6)字节(地址字节(地址4 4)半字(地址半字(地址1414)半字(地址半字(地址1212)0双字(地址双字(地址1616)81216204 字节存放次序可按字节存放次序可按低位字节低地址或低位字节低位字节低地址或低位字节高地址两种方式存放高地址两种方式存放。当所存储数据不能满足此要。当所存储数据不能满足
13、此要求时,可填充一至多个空白字节。求时,可填充一至多个空白字节。第第11页页/共共49页页字(地址字(地址8 8)字(地址字(地址0 0)字节(地址字节(地址5 5)字节(地址字节(地址4 4)半字(地址半字(地址1414)半字(地址半字(地址1212)0812412字(地址字(地址0 0)字节(地址字节(地址5 5)字节(地址字节(地址4 4)半字(地址半字(地址1414)半字(地址半字(地址1212)084字(地址字(地址6 6)字(地址字(地址8 8)半字(地址半字(地址1010)按边界对准方式,且低位字节放在低地址。按边界对准方式,且低位字节放在低地址。按边界不对准方式,且低位字节放在
14、低地址。按边界不对准方式,且低位字节放在低地址。特点:存储空间利用率高,但存取速度受到影响。特点:存储空间利用率高,但存取速度受到影响。第第12页页/共共49页页1 1、数据传送、数据传送包括寄存器与寄存器、寄存器与存储单元、包括寄存器与寄存器、寄存器与存储单元、存储单元与存储单元。存储单元与存储单元。操作类型(指令类型)操作类型(指令类型)2 2、算术逻辑运算、算术逻辑运算包括定点算术运算、浮点算术运算、逻辑运包括定点算术运算、浮点算术运算、逻辑运算和位操作。算和位操作。3 3、移位操作、移位操作包括算术移位、逻辑移位和循环移位。包括算术移位、逻辑移位和循环移位。第第13页页/共共49页页4
15、 4、程序转移、程序转移无条件转移无条件转移条件转移条件转移子程序调用与返回子程序调用与返回中断及中断指令中断及中断指令5 5、输入输出、输入输出对于对于I/OI/O独立编址的计算机,通常设有专门的独立编址的计算机,通常设有专门的I/OI/O指令,完成指令,完成CPUCPU和和I/OI/O间的数据传送。间的数据传送。6 6、其它、其它包括停机指令、空操作指令、开包括停机指令、空操作指令、开/关中断指令关中断指令和置条件码指令等。和置条件码指令等。第第14页页/共共49页页 寻址方式寻址方式(又称编址方式)指的是确定本条指令(又称编址方式)指的是确定本条指令的数据地址(的数据地址(数据寻址数据寻
16、址)及下一条要执行的指令地址)及下一条要执行的指令地址(指令寻址指令寻址)的方法。)的方法。不同的计算机系统不同的计算机系统,使用数目和功能不同的寻址使用数目和功能不同的寻址方式,其实现的复杂程度和运行性能各不相同。通常方式,其实现的复杂程度和运行性能各不相同。通常需要在指令中为每一个操作数专设一个地址字段,用需要在指令中为每一个操作数专设一个地址字段,用来表示数据的来源或去向的地址。在指令中给出的操来表示数据的来源或去向的地址。在指令中给出的操作数的地址被称为作数的地址被称为形式地址形式地址,使用形式地址信息并按,使用形式地址信息并按一定的规则计算出来的一个数值才是数据(或指令)一定的规则计
17、算出来的一个数值才是数据(或指令)的的实际地址(或有效地址)。实际地址(或有效地址)。返回返回三、寻址方式三、寻址方式第第15页页/共共49页页指令的寻址方式反映了程序的运行轨迹。指令的寻址方式反映了程序的运行轨迹。1、顺序寻址、顺序寻址通过程序计数器通过程序计数器PC加加1,自动形成下一条指,自动形成下一条指令的地址。令的地址。2、跳跃寻址、跳跃寻址对应于程序转移执行的方式,下一条指令的对应于程序转移执行的方式,下一条指令的地址由转移类指令直接指出,而不是由地址由转移类指令直接指出,而不是由PC顺序顺序计数提供。计数提供。PC内容按转移地址重新设置。内容按转移地址重新设置。指令的寻址方式指令
18、的寻址方式第第16页页/共共49页页在指令的操作数地址字段,可能要指出:在指令的操作数地址字段,可能要指出:运算器中的累加器的编号或专用寄存器名称(编号)运算器中的累加器的编号或专用寄存器名称(编号)输入输入/输出指令中用到的输出指令中用到的 I/O I/O 设备的入出端口地址设备的入出端口地址 内存储器的一个存储单元(或一内存储器的一个存储单元(或一 I/OI/O设备设备 )的地址)的地址数据的寻址方式数据的寻址方式现在的计算机中,寻址方式较多,为了正确、有效地获现在的计算机中,寻址方式较多,为了正确、有效地获得操作数,通常在指令中安排几位标志位表示所用的寻址方得操作数,通常在指令中安排几位
19、标志位表示所用的寻址方式,称为式,称为“寻址方式码寻址方式码”或或“寻址特征码寻址特征码”。指令格式如下:。指令格式如下:有多种有多种 基本寻址方式基本寻址方式 和某些和某些 符合寻址方式符合寻址方式,简介如下简介如下:操作码操作码 寻址特征寻址特征1 D1 寻址特征寻址特征2 D2第第17页页/共共49页页1 1、立即数寻址、立即数寻址 所需的一个所需的一个操作数操作数在指令的地址码部分直接给出。在指令的地址码部分直接给出。适用于操作数固定的情况,提高了指令的执行速度。适用于操作数固定的情况,提高了指令的执行速度。返回返回OPDesImme.DataMod源操作数源操作数v说明说明立即寻址只
20、能作为双操作数指令的源操作数。立即寻址只能作为双操作数指令的源操作数。Operand=Imme.Data例:例:MOV AX,1000H第第18页页/共共49页页2 2、存储器直接寻址存储器直接寻址返回返回 操作数在存储器中操作数在存储器中,指令地址字段直接给出操作数在存,指令地址字段直接给出操作数在存储器中的地址。储器中的地址。OPDesAModDatav说明说明EA=A,Operand=(A)例:例:MOV AX,1000H存储器存储器A第第19页页/共共49页页3 3、寄存、寄存器直接寻址器直接寻址返回返回 指令地址码字段给出某一通用寄存器的编号(地址),指令地址码字段给出某一通用寄存器
21、的编号(地址),且且所需的操作数就在这一寄存器中。所需的操作数就在这一寄存器中。OPDesRiModv说明说明EA=Ri,Operand=(Ri)例:例:MOV AX,1000H Data寄存器寄存器 Ri第第20页页/共共49页页 指令的地址码字段给出的内容既不是操作数,也不指令的地址码字段给出的内容既不是操作数,也不是操作数的地址,而是是操作数的地址,而是操作数地址的地址操作数地址的地址。分为一次间分为一次间接或多次间接寻址。接或多次间接寻址。4 4、存储器间接寻址、存储器间接寻址 返回返回OPDesA1Modv说明说明EA=(A1),Operand=(A1)例:例:MOV R1,(100
22、0H)(PDP-11的指令)的指令)DataA2存储器存储器A2A1第第21页页/共共49页页 指令地址码字段给出某一通用寄存器的编号(地址),指令地址码字段给出某一通用寄存器的编号(地址),该该寄存器中存放的是操作数在内存储器中所在单元的地址寄存器中存放的是操作数在内存储器中所在单元的地址。5 5、寄存器间接寻址、寄存器间接寻址返回返回OPDesRiModA寄存器寄存器RiData存储器存储器Av 说明说明EA=(Ri),Operand=(Ri)例:例:MOV AX,BX第第22页页/共共49页页 操作数在存储器中,指令地址字段给出一基址寄存器操作数在存储器中,指令地址字段给出一基址寄存器和
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