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1、第三章 指令系统,3.1 指令系统的定义及性能要求3.2 指令格式及指令类型3.3 指令和数据的编码及寻址方式3.4 堆栈寻址方式3.5 RISC机型,指令系统是指一台计算机所有机器指令的集合，构成了计算机的机器语言，是计算机硬件与上层软件的接口。计算机的指令系统决定了计算机的CPU的功能和结构。CISC和RISC是现代两大典型指令系统体系结构。设计一台机器的指令系统应考虑到其完备性和完整性、兼容性、均匀性、可扩充性。,指令格式,操作码表示指令要完成的操作，其长度决定了指令系统可以表示的指令条数；操作数是操作的对象，对象的类型由寻址方式部分决定,操作数（D）,寻址方式,地址码,数值,寄存器,内
2、存地址,操作码（OP）,指令分类：依据操作数个数来分,OP,OP D,OP D1 D2,OP D1 D2 D3,指令中地址个数的选取要考虑诸多的因素。从缩短程序长度，用户使用方便，增加操作并行度等方面来看，选用三地址指令格式较好；从缩短指令长度，减少访存次数，简化硬件设计等方面来看，一地址指令格式较好。对于同一个问题，用三地址指令编写的程序最短，但指令长度最长，而用二、一、零地址指令来编写程序，程序的长度一个比一个长，但指令的长度一个比一个短。,双操作数运算类指令的执行,对于双操作数运算类指令（如加法指令）来说，每条指令中都需要包含以下 个地址信息： 第一操作数地址A ； 第二操作数地址A ；
3、 操作结果存放地址A ； 下条将要执行指令的地址A 。这些地址信息可以明显地给出，称为显地址；也可以依照某种事先的约定，用隐含的方式给出，称为隐地址。,（） 三地址双操作数指令 三地址双操作数指令有 个显地址，指令的含义为：（A ）OP（A ） A假设指令存放在主存的 号单元中，第一、第二操作数分别存放在主存的 和 号单元中，结果存放在主存的 号单元，如图 所示。,执行一条三地址的加法指令需要访问 次主存。第一次从号单元中取指令，第二次从 号单元中取第一操作数，第三次从 号单元中取第二操作数，第四次将加法的结果保存到主存的号单元。,（） 二地址双操作数指令 二地址双操作数指令有两个显地址，第一
4、操作数地址同时兼作结果存放地址（目的地址） ，指令的含义为 （A ）OP（A ） A,执行一条二地址的加法指令同样需要访问 次主存。第一次从 号单元中取指令，第二次从 号单元中取第一操作数，第三次从 号单元中取第二操作数，第四次将加法的结果保存到主存的 号单元。,（） 一地址双操作数指令 一地址双操作数指令只有一个显地址，参加运算的另一个操作数来自累加寄存器Acc 。指令的含义为: （Acc）OP（A ） Acc,执行一条一地址的加法指令只需要访问两次主存，第一次从 号单元中取指令，第二次从 号单元中取操作数。由于第一操作数和运算结果都放在累加寄存器中，所以读取第一操作数和存放加法的结果都不需
5、要访问主存。,（） 零地址双操作数指令 零地址双操作数指令中只有操作码字段，操作数地址都是隐含的。操作数在堆栈的栈顶位置和次栈顶位置，它们分别从堆栈中弹出，送到运算器中进行运算，运算的结果再压入堆栈。执行一条零地址的加法指令访问主存的次数取决于堆栈的结构。,举例,例：分别利用三地址、二地址、一地址和零地址指令编制计算算术表达式x （ab c d） （e f）的程序。 解：假设a、b 、c 表示操作数，A 、B 、C 表示操作数所在存储地址。（） 三地址指令程序 MUL A ，B ，X ADD X ，C ，X SUB X ，D ，X ADD E ，F ，Y DIV X ，Y ，X共需 条三地址指
6、令，每条指令 次访存，执行此程序共访存 次。,（） 二地址指令程序 MOV X ，A MUL X ，B ADD X ，C SUB X ，D MOV Y ，E ADD Y ，F DIV X ，Y共需 条二地址指令，MOV 指令 次访存，算术运算指令 次访存，执行此程序共访存 次。,（） 一地址指令程序LOAD E ADD F STORE XLOAD AMUL BADD CSUB DDIV XSTORE X共需 条一地址指令，每条指令 次访存，执行此程序共访存 次。,（） 零地址指令程序PUSH APUSH BMULPUSH CADDPUSH DSUBPUSH EPUSH FADDDIVPOP X
7、共需 条指令，其中 条一地址的进、出栈指令， 条零地址的算术运算指令。进、出栈指令 次访存，算逻指令 次访存，执行此程序共访存 次。,例： 某一机器的指令系统，操作码 位，地址码均为 位，CPU 与主存之间每次传送 位数据。A 、B 、C 、D 、E 表示字地址，存放 位数据。 （） 分别用三地址、二地址、一地址和零地址指令编写程序，计算A （B C） （D E）（不允许覆盖任何操作数，可以使用暂存单元） 。 （） 分别计算所写程序的总字节数。 （） 分别计算程序执行时的访存次数。, 三地址指令程序 SUB B ，C ，A SUB D ，E ，Tmp MUL A ，Tmp ，A 因为操作码 位
8、，地址码 位，所以：三地址指令程序中每条指令占 个字节，程序的字节总数为 个字节； 因为三地址指令占 个字节，每条指令需访存 次才能取出，接下来每条指令还需要访存 次，所以 条指令共访存 次。, 二地址指令程序 MOV A ，B SUB A ，C MOV Tmp ，D SUB Tmp ，E MUL A ，Tmp 二地址指令程序中每条指令占 个字节，程序的字节总数为 个字节； 因为二地址指令占 个字节，每条指令需访存 次才能取出。除取指令外，传送指令还需访存 次，运算指令还需访存 次，所以总的访存次数为： 次。,指令分类：依据指令功能来分,算术逻辑运算类指令（ADD、AND)移位指令和循环指令(
9、CLR、RL)传送类指令(MOV)串指令(CWB)顺序控制类指令(JMP)特权指令(CHMOD)输入输出指令(IN OUT或利用访存指令),指令系统的设计,指令的编/译码：操作码编码、操作数编码指令及操作数的寻址,操作码编码方式,固定长度、区域集中：可表示的指令个数有限，译码简单、快速可变长度、区域分散：控制器复杂，可表示的指令多 通常采用两者结合的方式进行设计，选择设计方案的原则是常用的指令尽量分配简短的操作码，以降低占用的存储空间，缩短译码时间，从而提高程序运行速度例：指令格式如下：如何表示61条指令，其中三地址、两地址、一地址指令各15条，零地址指令16条？能否表示更多条指令？,4位,4
10、位,4位,4位,OP,1111,1111 1111,1111 1111 1111,扩展窗口,扩展窗口,扩展窗口,OP,操作数的编码方式,立即数：直接将数据表示成二进制形式寄存器/存储器：直接给出寄存器或存储器的地址码（名称）即可；注：寄存器（CPU内部或外围设备内部）及存储器的编址方式：1）字编址、字节编址、位编址；2）统一编址、非统一编址,操作数的编码方式,例：设某机主存容量为MB ，机器字长 位，若最小寻址单位为字节（按字节编址） ，其地址码为多少位？ 若最小寻址单位为字（按字编址） ，其地址码又为多少位？ 解：若按字节编址，地址码应为 位（ MB） ；若按字编址，地址码只需 位。,操作数
11、的编码方式,例:假设某外设接口中有 个寄存器，它们通过数据总线与CPU 相连，其总线地址如下： 数据寄存器FFH 命令字寄存器FFH 状态字寄存器FFH下列 条指令完成的操作分别是什么？（） MOV FFH ，R（） MOV R ，FFH（） MOV R ，FFH（） MOV FFH ，R,常用操作数寻址方式,立即寻址 imme直接寻址 EA=D间接寻址 EA=(D)寄存器直接寻址 EA=R寄存器间接寻址 EA=(R)寄存器变址寻址 EA=R+D相对寻址 EA=PC+D基址寻址 EA=BX+D隐含寻址 其他寻址方式（块寻址、段寻址）注：内存寻址时存在的对齐方式：大端序、小端序,例: 设寄存器R
12、 中的数值为H ，地址为H 的存储单元中存储的内容为H ，地址为H 的存储单元中存储的内容为H ，PC 的值为H ，问以下寻址方式下访问到的操作数的值是什么？（） 寄存器寻址R ；（） 寄存器间接寻址（R） ；（） 直接寻址H ；（） 间接寻址（H） ；（） 相对寻址 H（PC） ；（） 立即寻址 H 。 解：（） 采用寄存器寻址，操作数在寄存器中，S （R） H 。（） 采用寄存器间接寻址，操作数的有效地址在寄存器中，EA （R） ，操作数S （R） （H） H 。（） 采用直接寻址，操作数的有效地址在指令中给出，EA H ，操作数S （H） H 。（） 采用间接寻址，操作数有效地址在主存单
13、元中，EA （H） H ，操作数S （H） H 。（） 采用相对寻址，操作数有效地址为PC 中的内容与指令中的位移量D 之和，即EA （PC） D H H H ，操作数S （H） H 。（） 采用立即寻址，操作数直接在指令中给出，S H 。,常用指令寻址方式,顺序寻址方式跳跃寻址方式：直接、相对、间接,1、栈的分类： 用寄存器实现堆栈（串联堆栈） 内存中开辟堆栈区 自底向上生成堆栈 自顶向下生成堆栈2、栈的建立： 将栈顶地址传送到SP中3、栈的操作： PUSH/POP、MOV,栈及相关概念,从“20-80律”出发，人们开始了对指令系统合理性的研究，提出了精简指令系统的想法，出现了精简指令系统计算机，简称RISC。,80%不常用指令,复杂指令系统,20%常用指令,精简指令系统,RISC机型,RISC机：,指令数少长度固定，格式少、寻址方式少大多数指令一个机器周期可完成通用寄存器多，只有存数/取数指令访问存储器,指令格式,
