【正文】 第 5章 指令系統(tǒng) 指令系統(tǒng)的發(fā)展 指令格式 數(shù)據(jù)表示 尋址方式（編址方式） 指令類型 指令系統(tǒng)的兼容性 精簡指令系統(tǒng)計算機（ RISC）和復雜指令系統(tǒng)計算機（ CISC） 機器語言、匯編語言和高級語言 教學目標 ? 了解指令系統(tǒng)的發(fā)展與性能要求 ? 掌握指令格式和尋址方式 教學重點 ? 指令格式 ? 擴展操作碼 ? 尋址方式 概 述 ?指令： 是指示計算機某種操作的命令。 微指令，機器指令，宏指令 ?指令系統(tǒng)： 一臺計算機中所有機器指令的集合。 它是機器硬件設(shè)計的依據(jù)，也是軟件設(shè)計的基礎(chǔ)。 它決定了一臺計算機硬件的主要性能和基本功能。是硬件和軟件間的界面。 ?系列計算機： 有共同的指令集，相同的基本體系結(jié)構(gòu)。 ?CISC和 RISC 計算機的指令系統(tǒng)的發(fā)展與性能 ? 指令系統(tǒng)決定了計算機的基本功能，指令系統(tǒng)的設(shè)計是計算機系統(tǒng)設(shè)計的一個核心問題。它不僅與計算機的硬件設(shè)計緊密相關(guān)，而且直接影響到系統(tǒng)軟件設(shè)計的難易程度。 ? 完善的計算機的指令系統(tǒng)應具備： 完備性 ：一臺計算機中最基本的、必不可少的指令構(gòu)成了指令系統(tǒng)的完備性。 有效性 ：指利用該指令系統(tǒng)所提供的指令編制的程序能夠產(chǎn)生高效率。高效率主要表現(xiàn)在空間和時間方面，即占用存儲空間小、執(zhí)行速度快。 規(guī)整性 ：指令操作的對稱性和勻齊性，指令格式與數(shù)據(jù)格式的一致性。 （ 1）對稱性：在指令系統(tǒng)中，所有寄存器和存儲單元都可同等對待，這對簡化程序設(shè)計，提高程序的可讀性非常有用。 （ 2）勻齊性：是指一種操作性質(zhì)的指令可以支持各種數(shù)據(jù)類型。 （ 3）指令的格式與數(shù)據(jù)格式的一致性：指令長度與數(shù)據(jù)長度有一定關(guān)系，以方便存取和處理。 兼容性 ：兼容性一般是指計算機的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計基本相同，機器之間具有相同的基本結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)表示和共同的基本指令集合。 ? 一個完善的指令系統(tǒng)應滿足： ：指令豐富，功能齊全，使用方便。 ：程序占空間小，執(zhí)行速度快。 ：對稱性，勻齊性，指令格式和數(shù)據(jù)格式的一致性。 ： “ 向上兼容 ” 系列機中低檔機上運行的軟件可以在高檔機上運行。 計算機語言與硬件結(jié)構(gòu)的關(guān)系 ? 高級語言的語句和用法與具體機器的指令系統(tǒng)無關(guān)； ? 低級語言分機器語言和匯編語言，他們和具體機器的指令系統(tǒng)密切相關(guān)。 ? 匯編語言與硬件的關(guān)系密切，編寫的程序緊湊、占內(nèi)存小、速度快，特別適合與編寫經(jīng)常與硬件打交道的系統(tǒng)軟件；而高級語言不涉及機器的硬件結(jié)構(gòu)，通用性強、編寫程序容易，特別適合與編寫與硬件沒有直接關(guān)系的應用軟件。 （ 1/9） ? 兩個字段：操作碼字段 +操作數(shù)地址字段： 操作碼是指明指令操作性質(zhì)的命令碼。它提供指令的操作控制信息。 （ 1）每條指令都要求它的操作碼必須是獨一無二的位組合。 （ 2）指令系統(tǒng)中指令的個數(shù) N與操作碼的位數(shù) n，必須滿足關(guān)系式： N≤2n （ 1）地址碼：用來描述該指令的操作對象。 （ 2）指令字長 =操作碼的位數(shù) +(操作數(shù)地址個數(shù) )*(操作數(shù)地址碼位數(shù) ) 地址碼字段 AC 操作碼字段 OC （ 2/9） 一、指令格式 這是一種沒有操作數(shù)地址部分的指令格式。 這種指令有兩種可能： （ 1）無需任何操作數(shù)。如空操作指令，停機指令等。 （ 2）所需的操作數(shù)是默認的：堆棧。 操作碼 OC （ 3/9） A、堆棧的概念 （ a）是若干個存儲單元 (或寄存器 )的有序集合，它順序地存放一組元素。 （ b）數(shù)據(jù)的存取都只能在棧頂單元內(nèi)進行，即數(shù)據(jù)的進棧與出棧都只能經(jīng)過棧頂單元這個 “ 出入口 ” 。 （ c）堆棧中的數(shù)據(jù)采用 “ 先進后出 ” 或 “ 后進先出 ” 的存取工作方式。 B、 堆棧結(jié)構(gòu)在計算機中的作用 （ a）具有堆棧結(jié)構(gòu)的機器使用零地址指令，這不僅合指令長度短，指令結(jié)構(gòu)簡單，機器硬件簡化。 （ b）實現(xiàn)程序調(diào)用，子程序嵌套調(diào)用和遞歸調(diào)用。 （ c）對于 “ 中斷 ” 技術(shù)，堆棧更是不可缺少的，保存 “ 斷點 ” 和 “ 現(xiàn)場 ” 。 （ 4/9） C、堆棧的操作 設(shè)數(shù)據(jù)進棧方向為從高地址向低地址發(fā)展，當向堆棧壓入數(shù)據(jù)時， SP的內(nèi)容先自動遞減而指向一個新的空棧頂單元，再把數(shù)據(jù)寫入此棧頂單元；當數(shù)據(jù)彈出堆棧時，立即讀出 SP所指向的棧頂單元內(nèi)容，再把 SP內(nèi)容自動遞增而指向新的棧頂位置。即 PUSH X； (SP)1?SP (X)?(SP) POP X； ((SP))?X (SP)+1?SP （ 5/9） （ 1）指令中給出的一個地址即是操作數(shù)的地址，又是操作結(jié)果的存儲地址。如加 減 移位等單操作數(shù)指令。 （ 2）在某些計算機中，指令中提供的一個地址提供一個操作數(shù)，另一個操作數(shù)是由機內(nèi)硬件寄存器 “ 隱含 ” 地自動提供的。所謂 “ 隱含 ”是指此操作數(shù)在指令中不出現(xiàn)，而是按照事先約定由寄存器默認提供，運算結(jié)果仍送到寄存器中。因為這個寄存器在連續(xù)運算時，保存著多條指令連續(xù)操作的累計結(jié)果，故稱為累加器 (AC)。 AC1 操作碼 OC （ 6/9） （ 1）把保存操作前原來操作數(shù)的地址稱為源點地址 (SS)，把保存指令執(zhí)行結(jié)果的地址稱為終點地址或目的地址 (DD)。 （ 2）將源點與終點操作數(shù)進行操作碼規(guī)定的操作后，將結(jié)果存入終點地址。通常二地址指令又稱為雙操作數(shù)指令。 例如，雙操作數(shù)加法指令： ADD R0， R1表示將 R0寄存器的內(nèi)容和 R1寄存器的內(nèi)容相加以后，將結(jié)果存入 R1寄存器中。 又如 ADD (R0)， R1表示將 R0寄存器的內(nèi)容作為地址，到內(nèi)存中取出該地址所指向的單元內(nèi)容作為源點操作數(shù)，和作為終點操作數(shù)的 R1寄存器的內(nèi)容相加以后，將結(jié)果存入 R1寄存器中。 AC1 操作碼 OC AC2 ? 二地址指令格式中，從操作數(shù)的物理位置來說，又可歸結(jié)為三種類型。 ? 存儲器 存儲器（ SS）型指令： 操作時都是涉及內(nèi)存單元，參與操作的數(shù)都放在內(nèi)存里，從內(nèi)存某單元中取操作數(shù)，操作結(jié)果存放至內(nèi)存另一單元中，因此機器執(zhí)行這種指令需要多次訪問內(nèi)存。 ? 寄存器 寄存器（ RR）型指令： 需要多個通用寄存器或個別專用寄存器，從寄存器中取操作數(shù)，把操作結(jié)果放到另一寄存器。機器執(zhí)行寄存器 寄存器型指令的速度很快，因為執(zhí)行這類指令，不需要訪問內(nèi)存。 ? 寄存器 存儲器（ RS）型指令： 執(zhí)行此類指令時，既要訪問內(nèi)存單元，又要訪問寄存器。 （ 7/9） 其操作是對 AC AC2指出的兩個操作數(shù)進行操作碼所規(guī)定的操作，并將結(jié)果存入 AC3中。例如： ADD X Y Z 含義為 （ X） +（ Y） ?Z 即 X單元內(nèi)容加上 Y單元內(nèi)容，結(jié)果送Z單元中。 AC1 操作碼 OC AC3 AC2 （ 8/9） 例如四地址指令格式。 （ 1）含義： ADD X Y Z W A、（ X） +（ Y） → Z B、（ W） → 下一條指令地址 （ 2）特點： A、直觀明了； B、程序執(zhí)行的流向明確； C、操作數(shù)和結(jié)果可以分散在內(nèi)存各處。 D、但是指令字長度太長。 AC1 操作碼 OC AC4 AC3 AC2 （ 1/3） 一、操作碼和地址碼間的權(quán)衡（操作碼有兩種編碼格式） 固定格式：操作碼長度固定，且集中放在指令字的一個字段中。 可變格式：即操作碼長度可變，且分散地放在指令字的不同字段中。 二、擴展操作碼 要點： （ 1）操作碼位數(shù)隨地址碼個數(shù)變化采取可變長度的類型； （ 2）指令間指令碼一定不重復； （ 3）根據(jù)需要靈活變通。 （ 2/3） 比較 假設(shè)一臺計算機指令字長 16位，操作碼與地址碼都為 4位，如圖所示。 （ 1）方法一：固定格式，則最多可以設(shè)計 16條三地址指令 方法二：擴展操作碼，具體方法如下： (1) 15條三地址指令的操作碼由 4位基本操作碼從0000～ 1110給出，剩下一個碼點 1111用于把操作碼擴展到 A1，即 4位擴展到 8位； (2) 15條二地址指令的操作碼由 8位操作碼從11110000～ 11111110給出，剩下一個碼點 11111111用于把操作碼擴