计算机组成原理电子教案第5篇.ppt

第五章 指令系统 5.1 指令系统概述 5.2 指令格式及其设计 5.2.1 指令的基本格式 5.2.2 指令的操作数类型和操作类型 5.2.3 寻址方式 5.2.4 指令操作码的设计 5.2.5 指令地址码的设计 5.2.6 指令格式举例 5.3 精简指令系统计算机 5.3.1 从CISC到RISC 5.3.2 RISC的主要特点 5.1 指令系统概述 一条机器指令（简称指令），就是给计算机下达的一个基本操作命令。一台计算机中所有指令的集合，称为这台计算机的指令系统。 硬件设计人员采用各种手段实现指令系统，而软件设计人员则使用指令系统中的指令来编制各种各样的系统软件和应用软件，达到使用计算机的目的。 计算机指令系统的发展，是与计算机硬件技术的发展、应用领域的扩大和应用要求的提高密切相关的。 为了使计算机系统在功能增强、性能提高的同时，还能实现软件的兼容（向后兼容），推出了系列计算机。 所谓系列计算机，是指基本指令系统相同，基本系统结构相同的一系列计算机。 从指令系统的发展过程来看，从第一台电子计算机诞生，到上世纪70年代末的30多年里，指令系统是沿着不断增大、不断复杂化的单一方向发展的。之后，出现了指令系统发展的一个新的方向——精简指令系统方向。 采用精简指令系统的计算机，称为精简指令系统计算机（RISC），相对而言，采用复杂指令系统的计算机则称为复杂指令系统计算机（CISC）。 5.2 指令格式及其设计 5.2.1 指令的基本格式 指令由操作码和地址码两部分组成，其基本格式如下。 操作码本质上就是指令的编号，用于标识不同的指令。操作码由控制器中的指令译码器进行识别，根据识别的结果，由控制电路发出指令执行所需的各种操作控制信号，控制相关部件完成指令的操作功能。 地址码用于指出指令的操作数据所存放的位置（包括原始数据的存放位置和处理结果的存放位置）。 地址码可以是存储单元地址，可以是寄存器编号，也可以是I/O端口地址。由于各种存储装置的容量不同，所以，地址码的位数也不同。 一条指令的操作往往需要涉及多个数据，因此，指令中的地址码可能会有多个。 按指令中地址码个数的不同，可把指令格式分为三地址指令、二地址指令、一地址指令和零地址指令四类。 一条指令的长度是指这条指令的二进制编码的位数，它是这条指令的操作码以及全部地址码的位数之和。由于现在的计算机存储器多以字节编址，为了方便指令的存取，指令的长度都取字节长度的整数倍。 根据指令长度与机器字长的关系，通常把长度等于机器字长的指令称为单字长指令，把长度等于两倍机器字长的指令称为双字长指令，而把长度等于机器字长一半的指令称为半字长指令，等等。 5.2.2 指令的操作数类型和操作类型 1．操作数类型 指令所能处理的一切信息，都可以看作是指令的操作数。 按操作数的性质来分类，操作数可分为：地址，数值，字符和逻辑数据四类；按数据格式来分类，操作数又可分为定点格式和浮点格式两类。 对不同类型的数据，其操作方式是不一样的，需要设计不同的指令来完成不同的操作。因此，操作数类型对指令系统的设计有很大的影响。 2．操作类型 对各种计算机而言，其指令的操作种类都大同小异，一般都包含以下一些基本的操作类型： ⑴数据传送类操作。 ⑵算术类操作。 ⑶逻辑类操作。 ⑷控制转移类操作。 ⑸输入输出类操作。 ⑹系统控制类操作。 ⑺处理器控制类操作。 5.2.3 寻址方式 产生指令地址的方式称为指令寻址方式，产生操作数地址的方式称为数据寻址方式。 如果程序是顺序执行，则依靠PC的自动加1，就能不断产生所需执行的各条指令的地址。 如果程序需要改变执行的顺序，则要通过控制转移类指令来实现；这些指令可以（条件转移指令是在转移条件成立时）将转移目标处的指令地址装入PC，使控制器下次所取的指令为转移目标指令。 数据的寻址方式比较多，也比较复杂。根据某种寻址方式产生的操作数地址，称为操作数的有效地址EA。 1．直接寻址 这是一种产生存储器操作数地址的寻址方式，它将操作数在存储器中的存放地址直接作为地址码，置于指令的地址码部分；指令执行时，直接按此地址即可进行操作数的访问。 直接寻址的优点是：提供存储器操作数地址的速度最快；实现一个存储器操作数的访问只需一次访存。缺点是：地址码较长，会大大增加指令的长度。 2．间接寻址 该寻址方式用于产生存储器操作数的地址。指令中给出的地址码被称为间接地址。间接寻址的过程如下图所示。 间接寻址方式的最大缺点，就是要对存储器进行两次访问，才能完成一个操作数的读/写。 3．寄存器寻址 如果操作数