计算机组成原理第讲指令格式课件.ppt

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1、第1页，此课件共32页哦第第5章章 指指 令令 系系 统统指令格式指令格式 Instruction Formats寻址方式寻址方式 Addressing modes 指令系统的设计方法指令系统的设计方法Chapter 5 Instruction SetsRISCAn instruction set,or instruction set architecture(ISA),is the part of the computer architecture related to programming,including the native data types,instructions,regi

2、sters,addressing modes,memory architecture,interrupt and exception handling,and external I/O.2第2页，此课件共32页哦 指示计算机完成某一特定操作的最基本的命令称为计算机的“指令指令”Instruction。指令是计算机硬件能直接识别并执行的命令，是用机器语言编写程序的基础工具。一条指令能完成某种基本操作，一台计算机有几十条到几百条不同的指令。一台计算机的指令格式及其所有指令的集合指令格式及其所有指令的集合称为该计算机的指令指令系统系统。指令系统表征着计算机的基本功能，是程序设计者看到的机器的主要属性

3、和软、硬件的主要交界面。指令系统的设计主要包括操作类型操作类型、操作内容操作内容和指令格式指令格式的设计。5.2 指令格式指令格式 Instruction Formats3第3页，此课件共32页哦5.2.1 指令的一般格式指令的一般格式 计算机是通过执行指令来处理各种数据的，为了指出数据的来源、操作结果的去向及所执行的操作，一条指令应包含下列信息：(1)操作的性质及功能。(2)操作数(Operands)的地址(Address)。(3)操作结果的地址。(4)下一条指令的地址。以上信息可以归纳为两类：一是表示该指令要完成的操作操作，每种操作都用一个二进制形式的代码表示，称为操作码操作码（Opera

4、tion Code)，操作码一般位于指令字的前部。二是描述操作数或下条指令的地址地址，称为地址码地址码 (Address Code)。4第4页，此课件共32页哦指令的基本格式：操作码操作码地址码地址码 指令中的地址码字段用来指出参与操作的操作数的地址，地址码的位数决定能够直接访问的存储空间范围。指令操作码的长度（二进制位数）决定了指令系统中完成不同操作的指令条数。指令是用来表示控制信息的一组二进制形式的代码，它应包含与自动进行某个基本信息处理操作有关的内容。指令格式指令格式 Instruction Formats5第5页，此课件共32页哦指令的地址结构指令的地址结构地址结构是指在指令中给出几个

5、地址。根据地址码中所给出的地址个数，可有几种不同的指令格式：(1)三地址指令三地址指令 Three-Address Instruction格式：OPCODEA1A2A3 其中：OPCODE操作码，A1第一操作数地址，A2第二操作数地址，A3操作结果的存贮地址。其操作表达式为：（A1）OP（A2）A3(2)两地址指令两地址指令 Two-Address Instruction格式：OPCODEA1A2其操作表达式为：（A1）OP（A2）A1目的操作数源操作数6第6页，此课件共32页哦(3)一地址指令一地址指令 One-Address Instruction格式：OPCODEA一地址指令常被称为“单

6、操作数指令”，实际上它有两种情况。一是参与操作的只有一个操作数，在对地址A所指定的操作数执行OPCODE规定的操作后，产生的结果仍存回到该地址中。例如，加1、减1、求反、(移位)等都是单操作数指令。二是参与操作的有两个操作数，其中一个是隐含的。例如，一些对两个操作数进行算术逻辑运算的指令也采用这种格式。此时，另一个操作数（目的操作数）隐含在累加器中，指令执行后目的操作数为操作结果取代。又如，堆栈操作指令也是有2个操作数的一地址指令，在指令中给出了一个操作数地址，另一个操作数隐含在栈顶。7第7页，此课件共32页哦(4)零地址指令零地址指令 Zero-Address Instruction格式：O

7、PCODE指令中只有操作码，没有操作数，所以也称无操作数指令。零地址格式的指令有两种情况：无需任何操作数。如空操作指令，停机指令等。操作数的地址是隐含的。(5)多地址指令多地址指令 某些计算机设置有一些功能很强的、用于实现成批数据处理的指令。如字符串处理指令，向量、矩阵运算指令等。为了描述一批数据，指令中需要多个地址来指出数据存放的首地址、长度和下标等信息。例如，CDC STAR-100的矩阵运算指令，其地址码部分有7个地址字段，用以指出参加运算的两个矩阵及结果的存储情况。8第8页，此课件共32页哦操作码的编码操作码的编码指令操作码通常有两种编码格式。(1)固定长度操作码固定长度操作码 Fix

8、ed-Length Opcode即操作码的长度固定，且集中放在指令字的一个字段中。这种格式有利于简化硬件设计，减少指令译码时间。若操作码长度为K位，则最多可有 2k 条不同指令。(2)可变长度操作码可变长度操作码 Variable-Length Opcode即操作码的长度可变，且分散地放在指令字的不同字段中。这种格式能有效地压缩程序中操作码的平均长度。但将增加指令译码和分析的难度，使控制器的设计复杂化。例如，操作码扩展技术操作码扩展技术，哈夫曼编码等。第9页，此课件共32页哦5.2.2 指令操作码指令操作码的扩展技术扩展技术 操作码扩展技术操作码扩展技术，在指令字中用一个固定长度的字段来表示基

9、本操作码，对于一部分不需要某个地址码的指令，把操作码扩充到该地址字段。既能充分利用指令字的各个字段，又能在不增加指令长度的情况下扩展操作码的长度，以表示更多的指令。【例1】某计算机的字长为16位，欲设计的指令系统有零地址指令16条，一地址指令15条，两地址指令15条及三地址指令15条，设每个地址码字段为4位，应如何设计?OPCODEA1A2A310第10页，此课件共32页哦 【例1】某计算机的字长为16位，欲设计的指令系统有零地址指令16条，一地址指令15条，两地址指令15条及三地址指令15条，设每个地址码字段为4位，应如何设计?解1.按固定长度操作码固定长度操作码格式设计。如果要求指令字长是

10、字节的整数倍，则零地址指令长度应该为 8位，一地址指令长度应该为 16位，二地址指令长度应该为 16位，三地址指令长度应该为 24位。地址码字段的长度地址码字段的长度均可大于 4位。零地址指令长度为 6位，一地址指令长度为 10位，二地址指令长度为 14位，三地址指令长度为 18位。26=64 61操作码长度操作码长度为 6位共61条指令。11第11页，此课件共32页哦 【例1】某计算机的字长为16位，欲设计的指令系统有零地址指令16条，一地址指令15条，两地址指令15条及三地址指令15条，设每个地址码字段为4位，应如何设计?解2.按操作码扩展技术操作码扩展技术设计。指令格式为：OPA1A2A

11、315 12 11 8 7 4 3 0指令格式包括1个基本操作码字段和3个地址码字段。各字段均为4位，指令字长为16位。要求三地址指令15条，24 1615，所以，基本操作码字段基本操作码字段长度为4位。地址码字段4位。12第12页，此课件共32页哦 4位基本操作码，共有16个码位。其中00001110作为15条三地址指令的操作码，1111作为扩展标志用于把操作码扩展到A1。15条二地址指令操作码为1111000011111110。留下一个码字11111111作为扩展标志用于把操作码扩展到A2。15条一地址指令的操作码为111111110000111111111110。码字1111111111

12、11作为扩展标志用于把操作码扩展到A3。16条零地址指令的操作码为11111111111100001111111111111111OPA1A2A315 12 11 8 7 4 3 0第13页，此课件共32页哦 此外还有其它的扩展方法。例如，可以形成15条三地址指令，14条两地址指令，31条一地址指令和16条零地址指令。本例所用的操作码扩展方法称为15/15/15法。它是指在4位二进制表示的16个码点中，用15个来表示最常用指令的操作码，剩下的一个码字用于把操作码扩展到下一个 4位。而下一个4位表示的16个码字也按同样的原则处理和扩展。作为今天的作业题14第14页，此课件共32页哦5.2.3 指

13、令长度与数据字长的关系指令长度与数据字长的关系 指令指令的长度（指令字长长度（指令字长 Instruction Length）主要取决于操作码操作码的长度长度、操作数地址操作数地址的长度长度和操作数地址操作数地址的个数个数。指令的长度有定长格式定长格式的，也有变长格式变长格式的。当操作数地址是主存储器的直接地址时，其地址码的位数就很长。当操作数地址是寄存器号时，地址码的位数就很短。所以，在两地址和多地址指令中通常只有一个操作数地址是存储器直接地址。为了充分利用存储空间，指令指令的长度长度通常为字节字节的整数倍整数倍。指令指令的长度长度与机器机器的字长没有固定字长没有固定的关系关系，既可以大于或

14、等于机器的字长，也可以小于机器的字长。指令的长度大于机器的字长时称为长长格式指令格式指令，它需要几个连续字单元或字单元加字节单元来存储。指令的长度小于或等于机器的字长时，称为短格式指令短格式指令，它只需一个字单元或一至几个连续的字节单元来存储。15第15页，此课件共32页哦存储器按：字编址存储器按：字编址字节编址字节编址位编址数据数据在存储器中存储器中的存放方式存放方式字地址字地址 为为 低字节低字节 地址地址字地址字地址 为为 高字节高字节 地址地址37621540字地址字地址04低字节低字节04512673字地址字地址04高字节高字节低字节在前高字节在前地址0000010100111001

15、01110111数据ABCDEFGHJKLMNOPQ存储器内容存储器内容 为为 GHEFCDABPQNOLMJK存储器内容存储器内容 为为 ABCDEFGHJKLMNOPQ16第16页，此课件共32页哦地址地址(十进制)0 4 812162024283236双字双字双字双字（地址32）双字双字双字双字（地址24）半字半字（地址20）半字半字（地址22）半字半字（地址16）半字半字（地址18）字节字节(地址 8)字节字节(地址 9)字节字节（地址10）字节字节（地址11）字字（地址 4）字字（地址 0）字节字节（地址14）字节字节（地址15）字节字节(地址13)字节字节(地址12)边界对准边界对

16、准地址地址(十进制)048字节字节(地址7)字节字节(地址6)字字(地址2)半字半字(地址10)半字半字(地址8)半字半字(地址0)字字(地址4)边界未对准边界未对准存储器中存储器中的数据存放数据存放（存储字长为 32 位）第17页，此课件共32页哦5.4 指令类型指令类型 指令的操作类型按功能可分成算术逻辑运算、数据传送、程序控制、指令的操作类型按功能可分成算术逻辑运算、数据传送、程序控制、输入输出等类型。输入输出等类型。1.算术逻辑运算算术逻辑运算 Arithmetic&Logical 一一些些低低档档的的微微型型机机只只有有定定点点加加减减运运算算指指令令、求求补补指指令令、比比较较指指

17、令令、加加1减减1指指令令等等算算术术运运算算指指令令。较较高高档档的的机机器器还还有有十十进进制制运运算算指指令令、定定点点乘除指令、浮点运算指令等。乘除指令、浮点运算指令等。一些大型机、巨型机还设有向量运算指令，可以直接对整个向量一些大型机、巨型机还设有向量运算指令，可以直接对整个向量Vector或矩阵或矩阵Array进行求和、求积等运算。进行求和、求积等运算。逻辑运算类指令包括逻辑与、或、非、异或和测试等。有些机逻辑运算类指令包括逻辑与、或、非、异或和测试等。有些机器还有位操作器还有位操作Bit Manipulation、位测试等指令。、位测试等指令。算术逻辑运算指令都影响状态标志位算术

18、逻辑运算指令都影响状态标志位Flag（程序状态字程序状态字PSW）18第18页，此课件共32页哦2.移位操作移位操作 Shift 移位有算术移位、逻辑移位和循环移位三种。可以实现对操作数移位有算术移位、逻辑移位和循环移位三种。可以实现对操作数左移或右移一位或多位。左移或右移一位或多位。循环移位循环移位Rotate有带进位位的大循环和不带进位位的小循环两种，常有带进位位的大循环和不带进位位的小循环两种，常用于实现循环式控制、压缩用于实现循环式控制、压缩BCD码高低字位互换及多倍字长的移位等。码高低字位互换及多倍字长的移位等。6336CyCyCyCy交换后交换后19第19页，此课件共32页哦3.数

19、据传送数据传送 Data Transfer 在在程程序序中中使使用用最最多多的是是数数据据传传送送指指令令。这这类类指指令令的功功能能是是实实现现寄寄存存器器与与寄寄存存器器，寄寄存存器器与与存存储储单单元元以以及及存存储储单单元元与与存存储储单单元元之之间间的数数据据传传送送，包括对数据包括对数据的读读(取数load)和写和写(存数store)。数据传送时，数据从源地址数据传送时，数据从源地址Source传送到目的地址传送到目的地址Destination，源地源地址中的数据保持不变。址中的数据保持不变。有些机器设置有数据块传送指令，可一次把多达有些机器设置有数据块传送指令，可一次把多达64K

20、的数据从一个的数据从一个存储区传送到另一个存储区。存储区传送到另一个存储区。堆栈的压入堆栈的压入Push和弹出和弹出Pop指令也属于数据传送指令。指令也属于数据传送指令。数据交换指令则完成源操作数与目的操作数的互换。数据交换指令则完成源操作数与目的操作数的互换。20第20页，此课件共32页哦4.转移（程序控制转移（程序控制 Program Control）这类操作主要用于控制程序的流向，包括停机、无条件转移这类操作主要用于控制程序的流向，包括停机、无条件转移Jump、条条件转移、子程序调用与返回、中断和陷井指令等。件转移、子程序调用与返回、中断和陷井指令等。条件转移条件转移Conditiona

21、l Branch是根据对某些条件测试的结果是根据对某些条件测试的结果（通常是通常是前面执行的算术逻辑运算指令对状态标志位的影响前面执行的算术逻辑运算指令对状态标志位的影响）决定是否发生决定是否发生转移转移，若条件满足则转移若条件满足则转移，否则顺序执行下一条指令否则顺序执行下一条指令。转移还有绝对转移和相对转移的区别。转移还有绝对转移和相对转移的区别。绝对转移是转移到一个给定的目标地址绝对转移是转移到一个给定的目标地址（在整个存储器范围内在整个存储器范围内）。相对转移是相对当前地址相对转移是相对当前地址（程序计数器程序计数器PC内容内容）向前或向后转移一个向前或向后转移一个位移量的范围位移量的

22、范围（小范围小范围）。21第21页，此课件共32页哦 子程序调用子程序调用Subroutine Call与返回与返回Subroutine Return指令也有条件调指令也有条件调用用/条件返回和无条件调用条件返回和无条件调用/无条件返回的区别。无条件返回的区别。中断指令设置中断类型，开放或禁止中断中断指令设置中断类型，开放或禁止中断Interrupt等。等。陷井陷井Trap是一种异常中断，其目的不是为了请求是一种异常中断，其目的不是为了请求CPU正常处理中正常处理中断，而是为了把发生的各种事件通知断，而是为了把发生的各种事件通知CPU，并根据故障情况转入相，并根据故障情况转入相应的故障处理程序

23、。陷井指令一般不提供给用户使用。应的故障处理程序。陷井指令一般不提供给用户使用。以上四类操作是各种计算机都有的最基本的指令操作。以上四类操作是各种计算机都有的最基本的指令操作。22第22页，此课件共32页哦5.输入输出输入输出 Input/Output 输入输出指令用来实现主机与外设间的各类信息交换，如数据的输入输出指令用来实现主机与外设间的各类信息交换，如数据的输入和输出、向外设发出的控制命令、检测外设的工作状态等。由于输入和输出、向外设发出的控制命令、检测外设的工作状态等。由于I/O端口的数目远少于存储单元数，故此类指令的地址码较短。端口的数目远少于存储单元数，故此类指令的地址码较短。有些

24、计算机采用内存和外设（接口）统一编址的方法，把外设有些计算机采用内存和外设（接口）统一编址的方法，把外设看作内存单元，所有能对内存单元进行操作的指令均可对外设端口看作内存单元，所有能对内存单元进行操作的指令均可对外设端口进行操作（包括算术逻辑运算）。这样的计算机就没有输入输出指进行操作（包括算术逻辑运算）。这样的计算机就没有输入输出指令。令。6字符串处理字符串处理 字符串处理指令实现对字符串字符串处理指令实现对字符串String的非数值处理，包括：字符串的的非数值处理，包括：字符串的传送、字符串比较、字符串查询、字符串转换等。传送、字符串比较、字符串查询、字符串转换等。23第23页，此课件共3

25、2页哦7特权指令特权指令 特特权权指指令令是是用用于于系系统统资资源源分分配配和和管管理理的的指指令令。例例如如，检检测测用用户户的的访访问问权权限限，修修改改段段表表、页页表表，改改变变系系统统的的工工作作模模式式，任任务务的的创创建建和切换等。和切换等。8多处理机指令多处理机指令 Multiprocessor Instruction多处理机指令是专门为支持多处理机系统而设置的指令。多处理机指令是专门为支持多处理机系统而设置的指令。9多媒体指令多媒体指令 Multimedia Instruction 多媒体指令是专门为处理多媒体数据而设置的指令。多媒体指令是专门为处理多媒体数据而设置的指令。

26、例如，例如，Pentium 处理器的处理器的MMX指令。指令。特权指令只能用于操作系统和其他系统软件。特权指令只能用于操作系统和其他系统软件。24第24页，此课件共32页哦5.4.3 指令系统的兼容性指令系统的兼容性 Compatibility从从20世纪世纪60年代的年代的IBM360大型机开始，出现了系列机。大型机开始，出现了系列机。在一个系列内有不同档次的机型。系列机中的高中低档机都具有相在一个系列内有不同档次的机型。系列机中的高中低档机都具有相同的系统结构，相同的指令系统。从此出现了同的系统结构，相同的指令系统。从此出现了“兼容兼容”Compatible。25第25页，此课件共32页哦

27、计算机组成原理设计性作业课题课题2 指令系统设计指令系统设计 设计一个简单的（没有中断功能）16位RISC定点处理器的指令系统。指令系统设计的任务包括设计：指令功能、指令格式、寻址方式、全部指令的助记符、指令编码等。试分析一个简单的计算机至少需要哪些指令就能够完成最基本的运算？对于RISC机，适当增加一些功能比较强的更有用的指令有利于编程。提示：指令系统设计与寄存器结构、标志寄存器、等有关。可以参考“定点运算器设计”的通用寄存器组、标志寄存器。第6周周末完成26第26页，此课件共32页哦实验课题实验课题1 ALU设计设计实验内容：实验内容：按照题目要求设计一个16位ALU的逻辑，决定外部的端口

28、（名称、有效电平）和内部各元件的连接，画出系统框图和逻辑图，设计仿真数据，用VHDL编程和仿真。一、主要元件设计一、主要元件设计 14位并行进位加法器 功能要求：能完成两个4位二进制数（补码和无符号数）的加法和逻辑加运算。内部有并行进位链。可以扩展成多位组。2组间并行进位链逻辑 功能要求：4个4位小组的组间并行进位链逻辑。将组间并行进位链逻辑与4个4位超前进位加法器连接可以构成16位超前进位加法器。可参考74182的逻辑函数。27第27页，此课件共32页哦实验课题实验课题1 ALU设计设计 一、主要元件设计一、主要元件设计 3函数发生器 功能要求：能把输入的两个16位二进制数进行变换，与后面的

29、16位超前进位加法器配合完成两个16位二进制数（补码和无符号数）的8种算术运算（有些运算考虑低位来的进位）和8种逻辑运算。提示：ALU的功能参考数字逻辑课程的“多功能加法器”实验。二、顶层设计二、顶层设计 用用层层次次结结构构设设计计的的方方法法设设计计一一个个16位位ALU。内部包括4个4位位并并行行进进位位加法器、组间并行进位链、加法器、组间并行进位链、16位函数发生器位函数发生器等。功功能能要要求求：能能完完成成两两个个16位位二二进进制制数数以以及及低低位位来来的的进进位位的的8种种算算术术运运算算和和8种逻辑运算。种逻辑运算。可参考74181。28第28页，此课件共32页哦实验课题实

30、验课题1 ALU设计设计 三、仿真三、仿真 设计仿真波形数据，要考虑到所有可能的情况。在实验报告中必须清楚说明仿真波形数据是怎样设计的。四、深入的课题 上面设计的ALU还没有标志寄存器，如果想为ALU增加标志寄存器，应该怎样设计？标志位是怎样产生的？29第29页，此课件共32页哦5-1,4,5,6HomeworkInstructions per second-Most consumers pick a computer architecture(normally Intel IA32 architecture)to be able to run a large base of pre-exis

31、ting pre-compiled software.Being relatively uninformed on computer benchmarks,some of them pick a particular CPU based on operating frequency).Some system designers building parallel computers pick CPUs based on the speed per dollar.Computer programmers who program directly in assembly language want

32、 a CPU to support a full featured instruction set.30第30页，此课件共32页哦七、七、（共（共7分）分）判断题判断题（请在正确的句子前写（请在正确的句子前写T，错误的句子前写，错误的句子前写F）（）1零的原码表示形式不是唯一的。零的原码表示形式不是唯一的。（）2两个符号相同的浮点数相加后必须进行一次右规。两个符号相同的浮点数相加后必须进行一次右规。（）4带符号机器数的符号位都用带符号机器数的符号位都用0表示正数，表示正数，1表示负数。表示负数。（）5补码加减法运算补码加减法运算，符号位产生的进位是模符号位产生的进位是模。（）3计算机的计算机的

33、ALU是用加法和部分积右移操作实现乘法是用加法和部分积右移操作实现乘法 运算的。运算的。（）7“右规右规”是将尾数右移一位是将尾数右移一位，并将阶码的值减并将阶码的值减1。（）6若补码加法运算结果的双符号位为若补码加法运算结果的双符号位为01，表示发生，表示发生 正溢出。正溢出。31第31页，此课件共32页哦八、（共八、（共8分）分）填空题填空题1原原码码加加法法运运算算，符符号号位位与与数数值值部部分分 。若若两两数数的的符符号号不不同同，做做 ，和和的的符符号号 ，若若两两数数的的符符号号相同，做相同，做 。2算算术术移移位位应应保保持持数数据据的的 不不变变，只只改改变变数数据据的的 。数数据据左左移移一一位位将将使使数数值值 ；数数据据右右移移一一位位相相当当于于 。32第32页，此课件共32页哦