-
- 素材大小：
- 2.69 MB
- 素材授权：
- 免费下载
- 素材格式：
- .ppt
- 素材上传：
- chenrong
- 上传时间：
- 2018-08-26
- 素材编号：
- 208598
- 素材类别：
- 学校PPT
-
素材预览
这是杭州电子科技大学介绍ppt，包括了指令操作码与地址码，指令字长和操作码扩展，指令字长度，指令操作码扩展等内容，欢迎点击下载。
杭州电子科技大学介绍ppt是由红软PPT免费下载网推荐的一款学校PPT类型的PowerPoint.
第六章 指令系统
6.1 指令格式
一、指令操作码与地址码
指令是由操作码和地址码两部分组成的:
一、指令操作码与地址码
1、操作码
操作码长度固定：将操作码集中放在指令字的一个字段内。
这种格式便于硬件设计，指令译码时间短，广泛应用于字长较长的、大中型计算机和超级小型计算机以及RISC（Reduced Instruction Set Computer）中。如IBM370和VAX-11系列机，操作码长度均为8位。
操作码长度不固定：指令操作码分散在指令字的不同字段中。
这种格式可有效地压缩操作码的平均长度，在字长较短的微机中被广泛采用。如PDP-11，Intel8086/80386等。
2、地址码
（1）三地址指令：
（A1）OP（A2）→A3
2、按照地址码分类
（4）零地址指令
不涉及操作数：如NOP、HLT指令
操作数隐含：如PUSH、POP指令
对于寄存器类型的操作数，地址A指寄存器编号。
3、操作数类型
按照指令处理的操作数存放位置分：
存储器类型：操作数存放在主存中，A为其地址信息
寄存器类型：操作数存放在CPU的通用寄存器中，A为寄存器号
立即数类型：操作数存放在指令（地址字段）中
按照指令处理的操作数性质分：
地址（addresses）：存储器地址，是无符号整数。
数字（numbers）：整数、浮点数、十进制数。
字符（characters）
逻辑数据：真假两种状态
二、指令字长和操作码扩展
1、指令字长度
机器指令是用二进制机器字来表示的，表示一条指令的机器字，就称为指令字。一条指令中所包含的二进制码的位数，称为指令字长度或指令字长。它主要取决于操作码的长度、操作数地址的长度和操作数地址的个数。不同机器的指令字长是不相同的。
注意区分：机器字长、指令字长、存储字长
按指令长度固定与否可以分为：
固定指令字长的指令：所有指令的字长均相等，一般等于机器字长。
可变指令字长的指令：指令字长不固定，通常取字节的整数倍。
1、指令字长度
按照指令字长与机器字长的关系分类：
短格式指令：指令字长小于或等于机器字长。
长格式指令：指令字长大于机器字长。
一个机器的指令系统中，短格式指令和长格式指令可以并存，通常将最常用的指令设计成短格式指令，可以节省存储空间、提高指令的执行速度。
2、指令操作码扩展
指令的操作码的编码方式：固定操作码长度的格式和可变操作码长度格式
采用扩展操作码技术，使操作码的长度随地址数的减少而增加，即不同地址数的指令可以具有不同长度的操作码，从而可以有效地缩短指令字长。
举例
2、指令操作码扩展
在设计操作码不固定的指令系统时，应安排指令使用频度高的指令占用短的操作码，对使用频度低的指令可占用较长的操作码，这样可以缩短经常使用的指令的译码时间。
指令操作码扩展技术是一种重要的指令优化技术，它可以缩短指令的平均长度，增加指令字所能表示的操作信息。但指令操作码扩展技术需要更多的硬件支持，它的指令译码更加复杂，使控制器设计难度增大。
6.2 寻址方式
一、指令寻址
1、顺序寻址方式
控制器中使用程序计数器PC来指示指令在内存中的地址。在程序顺序执行时，指令的地址码由PC自加1得出。
指令在内存中按顺序存放，当顺序执行一段程序时，根据PC从存储器取出当前指令， PC自动＋1，然后执行这条指令；接着又根据PC指示从存储器取出下一条指令， PC自动＋1， 执行……。
2、跳跃寻址方式
当程序执行转移指令时，程序不再顺序执行，而是跳转到另一个地址去执行，此时，由该条转移指令的地址码字段可以得到新指令地址，然后将其置入PC中。
指令寻址举例
二、数据寻址
形式地址：指令的地址码字段，不一定（通常都不）代表操作数的真实地址，记为A。
有效地址：操作数的真实地址，记作EA，它是由寻址方式和形式地址共同来确定的。
常见的有9种寻址方式。
复合寻址
所有的计算机CPU都采用多种寻址方式
问题：如何识别？
二、数据寻址
1、立即寻址(Immediate Addressing）
操作数在指令的地址码字段，即：
DATA＝A
例如：
MOV AL， 5
MOV AX， 3064H
MOV AL， ‘A’
2．直接寻址(Direct Addressing)
操作数位于存储器中，操作数所在的存储器单元的地址存放在指令的地址字段A中，即：
EA=A
DATA＝（EA）
例如：
MOV AX， [1000H]
ADD [2000H]， BX
3、间接寻址( Indirect Addressing )
操作数位于存储器中，操作数所在的存储器单元地址也存放在存储器中，该存储器地址则存放在指令的地址字段中，即：
DATA＝（EA）
EA=（A）
即：A为操作数地址的地址
4、寄存器寻址方式 ( Register Addressing )
操作数位于寄存器中，操作数所在的寄存器编号存放在指令的地址字段A中，即：
DATA＝（Ri）
例如：
MOV AX， BX
MOV AL， BH
5、寄存器间接寻址方式
操作数位于存储器中，操作数所在的存储器地址存放在寄存器中，而该寄存器编号存放在指令的地址字段A中，即：
DATA＝（EA）
EA＝（Ri ）
例如：
SUB DX， [ESI]
6、变址寻址（Indexed Addressing）
操作数位于存储器中，操作数所在的存储器地址EA由变址寄存器RI和指令的地址字段A指出：
DATA＝（EA）
EA＝（RI ）＋A
变址寻址举例
例如：
Data
str_tb db ‘Abort， Retry?’， 0
Code
MOV ESI， 0
MOV AL， str_tb[ESI]
……
INC ESI
7、基址寻址 ( Based Addressing )
操作数位于存储器中，操作数所在的存储器地址EA由基址寄存器Rb和指令的地址字段A指出：
DATA＝（EA）
EA＝（Rb ）＋A
基址寻址和变址寻址
基址寻址方式适合于多用户计算机系统，当操作系统为多道程序分配主存空间，将用户程序装入主存时，需要进行逻辑地址到物理地址的转换。
操作系统给每个用户一个基地址并将其放入相应的基址寄存器，在程序执行时，以基址为基准自动进行逻辑地址到物理地址的转换。
在应用中，基址寻址面向系统，可以用来解决程序在主存中的重定位和扩大寻址空间等问题；而变址寻址则面向用户编程，用来访问字符串、向量和成批数据
8、基址变址寻址
9、相对寻址 ( Relative Addressing )
操作数位于存储器中，操作数所在的存储器地址EA由程序计数器PC和指令的地址字段A指出：
DATA＝（EA）
EA＝（PC ）＋A
A通常称作相对偏移量DISP。
相对寻址主要用于转移指令，执行之后，程序将转移到（PC）＋偏移量为地址的指令去执行。
偏移量可正、可负，通常用补码表示，即可相对PC值向后或向前转移。
10、堆栈寻址 ( Stack Addressing )
操作数位于存储器中，操作数所在的存储器地址EA由堆栈指针寄存器SP隐含指出，通常用于堆栈指令。
堆栈是由若干个连续主存单元组成的先进后出（first in last out，即FILO）存储区，第一个放入堆栈的数据存放在栈底，最近放入的数据存放在栈顶。栈底是固定不变的，而栈顶是随着数据的入栈和出栈在时刻变化。栈顶的地址由堆栈指针SP指明。
一般计算机中，堆栈从高地址向低地址扩展，即栈底的地址总是大于或等于栈顶的地址，称为上推堆栈；也有少数计算机相反，称为下推堆栈。
堆栈寻址主要用来暂存中断和子程序调用时现场数据及返回地址。
堆栈的结构
堆栈的操作：压入（PUSH）和弹出（POP），对应PUSH和POP指令，假设数据字长为1B
压入指令 PUSH Ri：将Ri寄存器内容压入堆栈。其操作是：
（SP）－1→SP，(Ri) →（SP）
弹出指令POP Ri：从堆栈中弹出1个数据送Ri寄存器，其操作是：
((SP)) → Ri ，(SP)＋1→SP
其中(SP)表示堆栈指针SP的内容；((SP))表示SP所指的栈顶的内容。
6.3 指令类型
1． 数据传送指令
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之间的传送。
2．算术逻辑运算指令
实现算术运算（加、减、乘、除等）和逻辑运算（与、或、非、异或）。有些计算机还设置有位操作指令，如位测试（测试指定位的值）、位清零、位求反指令等。
3． 移位操作指令
可分为算术移位、逻辑移位和循环移位。
6.3 指令类型
4．程序控制类指令
无条件转移指令：无条件转至目的地址处执行。
条件转移指令：条件满足转至目的地址处执行，否则顺序执行(生成条件码判断决定是否转移)
调用与返回指令：
调用指令CALL用于从当前的程序位置转至子程序的入口；
返回指令RETURN用于子程序执行完后重新返回到原程序的断点。
陷阱指令
陷阱其实是一种意外事故的中断。
6.3 指令类型
5．堆栈操作指令
6．输入输出指令：它完成从外设端口读入一个数据到CPU的寄存器内，或将数据从CPU的寄存器输出到某外设的端口中，此类指令适用于外设寄存器独立编址的情况。
7．处理器控制指令：包括等待指令、停机指令、空操作指令、开/关中断指令等
8.特权指令:这类指令主要用于系统资源的分配和管理。特权指令只能给操作系统或其他系统软件，而不能提供给用户使用，以防止破坏系统或其他用户信息
6.4 指令系统的设计技术
一、指令系统的要求
1、完备性：指指令系统直接提供的指令足够使用，而不必用软件来实现。
2、有效性：是指利用该指令系统所编写的程序能够高效地运行。程序占据存储空间小、执行速度快。
3、规整性：
对称性：所有的指令都可使用各种寻址方式；
匀齐性：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。
4、兼容性：“向上兼容”，即低档机上运行的软件可以在高档机上运行。
二、指令系统的发展
“复杂指令系统计算机”，简称CISC（Complex Instruction Set Computer）
指令格式不固定，寻址方式丰富，功能复杂
一些比较简单的指令，在程序中仅占指令系统中指令总数的20%，但出现的频率却占80%；占指令总数20%的最复杂的指令，却占用了控制存储器容量的80%，且使用频率却不高。
二、指令系统的发展
精简指令系统计算机（Reduced Instruction Set Computer，简称RISC）
RISC体系结构的芯片经历了三代：
第一代以32位数据通路为代表，支持Cache，软件支持较少，性能与CISC体系结构的产品相当，如RISC Ⅰ、MIPS、IBM801等。
第二代产品提高了集成度，增加了对多处理机系统的支持，提高了时钟频率，建立了完善的存储管理体系，软件支持系统也逐渐完善。它们已具有单指令流水线，可同时执行多条指令。
第三代RISC产品为64位微处理器，采用了超级流水线技术和超标量技术，提高了指令级的并行处理能力，使RISC处理器的整体性能更好。如MIPS的R4000处理器。
三、CISC的特点
早期CISC指令系统的主要特点是：
指令系统复杂。具体表现为指令条数多、寻址方式多、指令格式多。
指令串行执行，大多数指令需要多个时钟周期完成。
采用微程序控制，因为微程序控制器适合于实现CISC指令执行过程的控制。
有较多的专用寄存器，大部分运算所需的数据均需访问存储器获取。
由于指令系统复杂，编译系统面临复杂的选择，编译程序难以用优化措施生成高效的目标代码程序。
三、CISC的特点
CISC主要在以下方面来对增强指令的功能
面向目标程序增强指令功能
具体方法有：
提高运算类指令的功能
提高传送类指令的功能
增强程序控制指令功能
面向编译程序目标代码生成优化的改进
提供面向操作系统优化的指令
四、RISC的特点
大部分RISC机具有以下特点：
（1） 指令系统设计时选择一些使用频率较高的简单指令，且选择一些很有用但不复杂的指令。
（2） 指令长度固定，指令格式种类少，寻址方式种类少。
（3） 只有取数/存数指令访问存储器，其余指令的操作都在寄存器之间进行。
四、RISC的特点
（4） 采用流水线技术。超级标量及超级流水线技术，增加了指令执行的并行度，使得一条指令的平均指令执行时间小于一个机器周期。
（5） CPU中通用寄存器数量相当多，可以减少访存次数。
（6） 以硬布线控制逻辑为主，不用或少用微码控制。
（7） 采用优化的编译程序，力求有效地支持高级语言程序。
同CISC比较，RISC的优点
（1） 可以充分利用VLSI芯片面积
（2） 可以提高计算机运算速度
指令数、寻址方式和指令格式的种类都较少，且指令的编码很有规律，使指令译码加快。
在简化指令的情况下，硬布线连接比微程序控制的延迟小，可缩短CPU的周期。
CPU的通用寄存器多，减少了访存次数，加快了速度
大部分指令能在一个周期内完成，特别适合于流水线工作。
有的RISC机采用寄存器窗口重叠技术，程序嵌套时不必将寄存器内容保存到存储器中，加快了速度。
同CISC比较，RISC的优点
（3） 设计容易，可降低成本，提高可靠性。
（4） 能有效支持高级语言程序
RISC靠编译程序的优化来支持高级语言程序。
指令少，寻址方式少，反而使编译程序容易选择更有效的指令和寻址方式。
通用寄存器多，可尽量安排快速的寄存器操作，使编译程序的代码优化效率较高。
有的RISC机采用寄存器窗口重叠技术，使过程间的参数传送快，且不必保存与恢复现场，因而能直接支持调用子程序和过程的高级语言程序。
在编译时尽量做好程序优化工作，而减少程序执行时间
五、指令系统举例
1、Pentium 指令系统
指令类型
（1）算术逻辑操作指令
（2）串操作/转移控制指令
（3）标志控制/高级语言支持指令
（4）数据传送指令
（5）系统控制/段寄存器操作指令
（6）保护/CACHE管理指令
Pentium 的指令格式
2、模型机上8位字长的指令系统设计
① 模型机指令格式
格式1：一般指令格式
格式2：带寻址方式码的指令格式
OP1：第一指令操作码，
2位，是带寻址方式码
的指令（4条）的特征位。
MOD：寻址方式码，2位，用于对4种寻址方式的编码，至于4种寻址方式的定义，可以自行设计，例如：可设计为直接、间接、变址、相对寻址。
OP2：第二指令操作码，2位，是4条带寻址方式码的指令本身的编码。
DR：同格式一。
ADDR/DISP/X：指令的第二个字，为寻址方式中所用到的直接/间接地址ADDR，或者是相对寻址的偏移量DISP，或者是变址寻址的形式地址X
带寻址方式MOD的指令格式（格式2）
对于指令格式2，假设定义：
MOD=00：直接寻址，则有效地址EA=ADDR，操作数=（ADDR）；
MOD=01：间接寻址，则有效地址EA=（ADDR），操作数=（（ADDR））；
MOD=10：变址寻址，则有效地址EA=（SI）+X，操作数=（（SI）+X）；其中SI为变址寄存器，隐含为R2；
MOD=11：相对寻址，则有效地址EA=（PC）+DISP，操作数=（（PC）+DISP）；
格式3：三字指令
格式4：操作码扩展指令格式
OP——指令操作码，4位，是单寄存器地址指令（16条）的操作码，可通过I7 I6为11方式实现散转。
② 模型机寻址方式
模型机的指令系统，可实现：寄存器直接、寄存器间接、直接、间接、相对、变址、立即数7种基本寻址方式。
对于其中相对复杂的寻址方式（直接、间接、相对、变址），可以由指令中的MOD字段来定义。
简单的寻址方式可以直接由指令操作码指定。
注意：任何一种寻址方式，均可以直接由指令操作码隐含指定。
用户也可以根据需要，自行设计一些特殊的寻址方式，例如相对SR的偏移量寻址方法，即EA=（SR）+ADDR。
③ 模型机指令系统设计
指令设计原则
指令的格式必须按照规定的格式设计，即操作码OP、源寄存器号SR、目的寄存器号DR必须按格式规定固定长度和位置，若按照格式2设计指令，则操作码OP分为两段。
寻址方式的设计，可以根据需要，由MOD字段定义，或由操作码隐含指定。
指令类型及功能的设计，只需满足程序设计的要求和需求即可。
指令操作码的分配设计，要注意规整性。
模型机指令设计举例1
模型机指令设计举例2
指令系统1举例
不用专门的MOD字段指出寻址方式，寻址方式由指令码定义（隐含）。
4. IN Rd，[Addr];
(Port Addr)Rd
指令系统2举例
共有16条指令，分为：
5条双寄存器算术逻辑运算类指令
3条单寄存器指令
4条存储器访问类指令
2条I/O指令
2条过程控制类指令
程序设计
5条双寄存器算术逻辑运算类指令
格式：
操作码及功能：
3条单寄存器指令
格式：
操作码及功能：
4条存储器访问类指令
格式：
操作码及功能：
SI隐含为R2
2条I/O指令
格式：
操作码及功能：
2条过程控制类指令
格式：
CALL ADDR
功能：
(SP)－1→SP，
(PC) →(SP)，
ADDR→PC
将存储器单元20H开始的10个数累加，将和送到2AH单元中，要求按“指令系统二”编程。
本章小结
机器指令由操作码字段和地址码字段组成。扩展操作码技术实现指令优化，但也增加了硬件设计难度。
指令的寻址方式包括指令寻址和数据寻址，指令寻址主要是顺序和跳跃两种方式；数据寻址有许多种寻址方式，其目的是获得本条指令执行所需要的操作数。
根据指令的功能，可将指令分类为数据传送、算术逻辑运算类、移位操作类、转移类、堆栈操作类、输入输出类等指令。
指令系统的设计应满足完备性、有效性、规整性、兼容性四个方面的要求。CISC指令系统庞大的指令集及其存在问题，RISC指令以它简洁、高效等特点而得到快速地发展。
通过两种指令系统例子，细述了模型机指令系统设计方法，以便结合实际理解和掌握指令系统的设计方法。北京大学出版社课件怎么PPT：这是北京大学出版社课件怎么PPT，包括了最重要的地方——图书馆，吃货的福利——食堂，北京大学并无校训
ppt杜克大学：这是ppt杜克大学，包括了什么是生活，明天比今天更重要，获得满足感，不要轻易说“不”，挑战自我，别害怕不确定性，回顾过去的经历，受到教育不等于聪明等内容，欢迎点击下载。
介绍墨尔本大学ppt：这是介绍墨尔本大学ppt，包括了澳大利亚，城市概况，学校简介，历史沿革，特色优势，优秀学院，本科课程，学费，就业等内容，欢迎点击下载。
-
素材评分榜
素材排行榜
-
猜你喜欢
-
- 北京大学出版社课件怎么PPT
- 文档大小：1 MB
- 上传时间：03-03
![北京大学出版社课件怎么PPT]()
-
- ppt杜克大学
- 文档大小：1 MB
- 上传时间：02-14
![ppt杜克大学]()
-
- 介绍墨尔本大学ppt
- 文档大小：1 MB
- 上传时间：02-12
![介绍墨尔本大学ppt]()
-
- 2016年大学生就业ppt
- 文档大小：1 MB
- 上传时间：02-11
![2016年大学生就业ppt]()
-
- 大学生个人简历模板ppt
- 文档大小：1.46 MB
- 上传时间：12-16
![大学生个人简历模板ppt]()
-
- 大学生就业规划ppt
- 文档大小：4.31 MB
- 上传时间：12-14
![大学生就业规划ppt]()
-
- 大学生创业风险ppt
- 文档大小：308 KB
- 上传时间：12-12
![大学生创业风险ppt]()
-
