[理学]计算机组成原理 指令系统

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1、第四章指令系统本章要求：指令的概念、功能，指令的种类。指令系统设计的基本要求。基本寻址技术及其工作原理，各种寻址方式下的指令特点分析。指令格式的分析和各种要求结果的确定（执行情况、对寄存器值、标志位的影响等）。指令系统原理的掌握和应用，理解地址结构，熟悉寻址方式、各类具体指令及其执行情况。第四章指令系统4.1指令系统的发展与性能要求4.2指令格式4.3指令和数据的寻址方式4.4堆栈寻址方式4.5指令系统的要求与指令分类本章小结4.1指令系统的发展和性能要求4.1.1指令系统的发展4.1.2指令系统的性能4.1.3计算机语言与硬件结构的关系4.1.1指令系统的发展计算机的

2、程序是由一系列的指令组成的，指令就是要计算机执行某种操作的命令。从计算机组成的层次结构来说，计算机的指令有微指令、机器指令和宏指令之分。微指令：微程序级的命令，它属于硬件；宏指令：由若干条机器指令组成的软件指令，它属于软件；机器指令（指令）：介于微指令与宏指令之间，每条指令可完成一个独立的算术运算或逻辑运算。指令系统：一台计算机中所有机器指令的集合。它是表征一台计算机性能的重要因素，其格式与功能不仅直接影响到机器的硬件结构，也直接影响到系统软件，影响到机器的适用范围。计算机指令系统的发展过程：50年代：指令系统只有定点加减、逻辑运算、数据传送、转移等十几至几十条指令。6

3、0年代后期：增加了乘除运算、浮点运算、十进制运算、字符串处理等指令，指令数目多达一二百条，寻址方式也趋多样化。70年代末期：大多数计算机的指令系统多达几百条。我们称这些计算机为复杂指令系统计算机(CISC)。但是如此庞大的指令系统难以保证正确性，不易调试维护，造成硬件资源浪费。为此人们又提出了便于VLSI技术实现的精简指令系统计算机（RISC）。4.1.2对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：完备性有效性规整性兼容性完备性用汇编语言编写各种程序时，指令系统直接提

4、供的指令足够使用，而不必用软件来实现。完备性要求指令系统丰富、功能齐全、使用方便。有效性利用该指令系统所编写的程序能够高效率的运行。高效率主要表现在程序占据存储空间小、执行速度快。一般来说，一个功能更强、更完善的指令系统，必定有更好的有效性。规整性包括指令系统的对称性、匀齐性、指令格式和数据格式的一致性。对称性指在指令系统中所有的寄存器和存储器单元都可同等对待，所有的指令都可使用各种寻址方式；匀齐性是指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是指指令长度和数据长度有一定的关系，以方便处理和存取。兼容性系列机各机种之间具有相同的基本结构和共同的基

5、本指令集，因而指令系统是兼容的，即各机种上基本软件可以通用。4.1.3计算机语言与硬件结构的关系计算机语言具有高级语言和低级语言之分。高级语言如C，FORTRAN等，其语句和用法与具体机器的指令系统无关。低级语言分机器语言（二进制语言）和汇编语言（符号语言），这两种语言都是面向机器的语言，和具体机器的指令系统密切相关。机器语言用指令代码编写程序，符号语言用指令助记符来编写程序。高级语言和低级语言计算机能够直接识别和执行的唯一语言是一种用二进制码表示的、由一系列指令组成的机器语言。但人们采用符号语言或高级语言编写程序。为此，必须借助汇编程序或编译程序，把符号语言或高级语言

6、翻译成二进制码组成的机器语言。汇编语言依赖于计算机的硬件结构和指令系统。不同的机器有不同的指令，所以用汇编语言编写的程序不能在其他类型的机器上运行。高级语言与计算机的硬件结构及指令系统无关，在编写程序方面比汇编语言优越。一些高级语言提供了与汇编语言之间的调用接口。用汇编语言编写的程序，可作为高级语言的一个外部过程或函数，利用堆栈来传递参数或参数的地址。高级语言和低级语言比　较　内　容高　级　语　言低　级　语　言1对程序员的训练要求(1)通用算法(2)语言规则(3)硬件知识有较少不要有较多要2对机器独立的程度独立不独立3编制程序的难易程度易难4编制程序所需时间短较长5程序

7、执行时间较长短6编译过程中对计算机资源的要求多少高级语言与低级语言的性能比较4.2指令格式4.2.1指令操作码与地址码4.2.2指令字长度与扩展方法4.2.3指令格式举例4.2.1指令操作码与地址码指令字（简称指令）即表示一条指令的机器字。指令格式则是指令字用二进制代码表示的结构形式，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。指令格式如下：不同的指令用操作码字段的不同编码来表示，每一种编码代表一种指令。操作码字段地址码字段1.操作码组成操作码字段的位数一般取决于计算机指