计组 第四讲 指令系统 3.30

指令系统的发展、性能要求

程序 - 用于解决实际问题的一系列的指令

指令 - 是计算机执行某种操作的命令

  • 微指令：微程序集的命令，属于硬件
  • 机器指令：可完成一个独立的算数或逻辑运算
  • 宏指令：由若干条机器指令组成的软件指令，它属于软件

指令系统：一台计算机中所有机器指令的集合

直接影响机器的硬件结构、软件系统、以及机器的适用范围


系列计算机

  • 基本指令系统、基本体系结构相同的一系列计算机，但具体的器件、结构和性能都不会完全相同

一般，新机种在各方面要优于旧机种

  • 一个系列往往有多种型号，各型号计算机的指令系统是向下兼容/向后兼容的

  • 新机种的指令系统包含旧机种的全部指令


CISC

CISC（complex instruction set computer 复杂指令集）

采用复杂的的指令系统，来达到增强计算机的功能、提高机器速度的目的

特点：

  • 指令系统复杂庞大，指令数目多
  • 指令格式多，字长不固定，多种寻址方式
  • 可访存指令不受限制
  • 各种指令的执行时间相差很大
  • 大都采用微程序控制器

RISC

RISC（Reduced instruction set computer 精简指令集）

从简化指令系统和优化硬件设计的角度来提高系统的性能与速度

特点：

  • 选取使用频率高的简单指令
  • 指令长度固定，指令格式少，寻址方式种类少
  • 采用流水线技术
  • 使用较多的通用寄存器，减少访存
  • 控制器以组合逻辑控制为主
  • 采用优化编译技术


指令系统性能的要求

指令系统的性能决定了计算机的基本功能，它的设计直接关系到计算机的硬件结构和用户的需要

一个完善的指令系统应满足如下四方面的要求

  • 完备性

    常用指令齐全，编程方便

  • 有效性

    程序占用内存少，运行速度快

  • 规整性

    指令和数据的使用规则统一，易学易记

    规整性还包括：

    • 对称性

      所有的指令都可使用各种寻址方式

    • 匀齐性

      一种操作性质的指令可以支持各种数据类型

    • 指令格式和数据格式的一致性

      指令长度和数据长度有一定的关系，以方便处理和存取

  • 兼容性

    同一系列的低档计算机的程序能够在新的高档计算机上运行。



低级语言与硬件结构的关系

低级语言：面向机器的语言，和具体机器的指令系统密切相关，例如机器语言，汇编语言等



指令格式

指令字（简称指令）表示一条指令的机器字

指令格式用二进制代码表示的指令字结构形式，由操作码字段和地址码字段组成

**操作码字段：**表征指令的操作特性与功能

**地址码字段：**通常指定参与操作的操作数的地址

操作码字段OP 地址码字段A

操作码

操作码字段的位数取决于指令系统的规模

操作码的类型

  • 固定长度的操作码

    所有指令长度均相同

    优点：控制简单，速度快，适用于指令条数不多的场合


  • 可变长度的操作码

    频繁使用的指令用位数较少的操作码

    不常使用的指令可利用操作码扩展技术进行扩展

    Ep.操作码字段为4位，则指令系统中的指令数目为242^4=16条。

    优点：充分利用软硬件资源，适用于大规模的指令系统。


一条指令格式中有几个地址码字段，就称为是几地址指令

零地址指令(OP)

无任何操作数运算，如NOP、HALT等指令。

②单操作数运算：隐含一个操作数，如Acc。

OP(Acc)→AccOP(Acc)\rightarrow Acc


一地址指令(OP|A1)

①单操作数运算：OP(A1)→A1OP(A1)\rightarrow A1

②双操作数运算：隐含一个操作数，如Acc. (Acc)OP(A1)→Acc/A1(Acc)OP(A1)\rightarrow Acc/A1

INC,MUL,CBW指令


二地址指令(OP|A1|A2)

(A1)OP(A2)→A1(A1)OP(A2)\rightarrow A1


三地址指令（OP|A1|A2|A3）

(A1)OP(A2)→A3(A1)OP(A2)\rightarrow A3


指令字长度

机器字长

运算器一次能处理的二进制数的位数

机器指令的长度直接决定着CPU运算的精度和直接寻址能力的大小


指令字长

一个指令字中包含二进制代码的位数

指令字长由操作码长度、操作数长度和个数共同决定

指令有半字长、单字长、双字长、多字长等不同的长度类型

比如说操作系统为16位，指令也为16位，那么就是单字长

指令系统可分为等长指令字结构、变长指令字结构两种

分为R/S型指令，分别表示寄存器和存储器



操作数类型

机器指令对数据进行操作，数据通常分为以下四类

  • 地址数据

    无符号整数，通过某种运算确定操作数在主存中的有效地址

  • 数值数据

    定点整数、小数；浮点数

  • 压缩十进制数

    字符数据,文本数据或字符串

  • 逻辑数据

    由若干二进制位组成，每位的值可以是1或0。


指令的寻址方式

顺序寻址

程序按顺序执行时的指令寻址方式

必须用程序计数器记录所要执行指令的存放单元地址

  • 一般做加1条指令的操作
  • 程序计数器又称指令指针寄存器

跳跃寻址方式

computerComposition_4_1

先进行顺序寻址，当一句指令执行时，PC自增1，指向下一句，因此当3号执行完后，PC=4，此时读到JMP 7,于是将PC改写为7，跳转至7



操作数的寻址方式

操作码OP 变址X 间址I 形式地址A

将指令中的形式地址A变换成操作数有效地址的过程，称为寻址过程


隐含寻址

computerComposition_4_2

立即寻址

形式地址A就是操作数

优点： 指令执行阶段不需要访存，速度快

缺点：形式地址A字段的位数限制了立即数的范围


直接寻址

有效地址由形式地址字段A直接给出 EA=A

特点：

  • 执行阶段访问一次存储器

  • A的位数决定了该指令操作数的寻址范围

  • 操作数的地址不易修改（必须修改A）


间接寻址

有效地址由形式地址字段A间接提供，EA=（A）

特点

  • 可扩大寻址范围

    A字段的长度受指令字长和指令格式的限制

  • 寻址时，可根据需要进行多次间址

  • 可用寻址特制I字段区分直接寻址和间接寻址方式；


寄存器寻址

形式地址字段A为寄存器编号 EA=RiEA=R_i

特点

  • 执行阶段不访存，只访问寄存器，执行速度快
  • 寄存器个数有限，可缩短指令字长

寄存器间接寻址

形式地址字段A用于指出存放有效地址的寄存器编号 EA=（Ri）EA=（R_i）

特点：

  • 执行阶段访存
  • 便于编制循环程序

偏移寻址

直接寻址和寄存器间接寻址方式的结合

有效地址是EA=A+（R）

  • A是显式的形式地址字段
  • R为某个专用的寄存器，可以为显式/隐含

常用的偏移寻址

  • 相对寻址：指令转移时，常用相对寻址方式：EA=A+（PC）
  • 基址寻址：EA=（基址R）+A，A+1→AA+1\rightarrow A
  • 变址寻址：EA=（变址R）+A，变址R+1→变址R变址R+1\rightarrow 变址R