计算机组成原理电子教案第5章.ppt

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1、第五章指令系统计算机组成原理电子教案陆遥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RISC5.3.2RISC的主要特点一条机器指令（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

2、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。5.1指令系统概述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

3、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

4、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

5、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

6、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

7、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

8、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存于寄存器中，则采用该寻址方式，在指令的地址码部分给出相应的寄存器编号（亦即寄存器地址），即可对该寄存器中的操作数进行访问。由于寄存器的存取速度很快，所以，寄存器寻址方式能以很快的速度完成操作数的访问。此外，寄存器的数量少，其编号的位数也少，能够有效地减少指令中地址码的长度。4．寄存器间接寻址该寻址方式将存储器操作数的地址置于一