計(jì)算機(jī)組成原理(華科版)第四章指令系統(tǒng)(已修改)
2025-01-27 05:05 本頁面
【正文】 計(jì)算機(jī)組成原理 第四章 指令系統(tǒng) 1 第四章 指令系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)組成原理 第四章 指令系統(tǒng) 2 指令系統(tǒng)的發(fā)展與性能 計(jì)算機(jī)的性能與它所設(shè)置的指令系統(tǒng)有很密切的關(guān)系，而指令系統(tǒng)的設(shè)置又與機(jī)器的硬件結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)。通常性能好的計(jì)算機(jī)都要設(shè)置指令豐富、功能齊全、通用性強(qiáng)、使用方便高效的指令系統(tǒng)，而這些需要復(fù)雜的硬件結(jié)構(gòu)來支持。 計(jì)算機(jī)組成原理 第四章 指令系統(tǒng) 3 指令系統(tǒng)的發(fā)展 指令就是指揮計(jì)算機(jī)執(zhí)行某種操作的命令 。 微指令是微程序級的命令 ， 屬于硬件； 宏指令是由若干條機(jī)器指令組成的軟件指令 ， 屬于軟件； 機(jī)器指令則介于微指令與宏指令之間 ， 通常簡稱為指令 。 一臺計(jì)算機(jī)中所有機(jī)器指令的集合 ， 稱為該計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng) 。 計(jì)算機(jī)組成原理 第四章 指令系統(tǒng) 4 20世紀(jì) 70年代末期 ， 隨著大規(guī)模集成電路 VLSI技術(shù)的飛速發(fā)展 ， 硬件成本不斷下降 ， 而軟件成本不斷上升 。 為增加計(jì)算機(jī)的功能 ， 以及縮小指令系統(tǒng)與高級語言的差異 ，以便于高級語言的編譯 ， 降低軟件開發(fā)成本 ， 于是產(chǎn)生了以增加指令數(shù)和設(shè)計(jì)復(fù)雜指令為手段的計(jì)算機(jī) ， 大多數(shù)計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)多達(dá)幾百條 ， 稱這些計(jì)算機(jī)為復(fù)雜指令系統(tǒng) 計(jì) 算 機(jī) ， 簡稱 CISC （ Complex Instruction Set Computer ） 。 IBM公司在 1975年開始探討指令系統(tǒng)的合理性問題 ，John cocke提出了精簡指令系統(tǒng)的想法 。 1982年 ， 美國加州伯克利大學(xué) 、 斯坦福大學(xué) 、 IBM公司都先后研制出便于 VLSI技術(shù)實(shí)現(xiàn)的精簡指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī) ， 簡稱 RISC（ Reduced Instruction Set Computer） 。 1983年后 ， RISC計(jì)算機(jī)商品化 。 計(jì)算機(jī)組成原理 第四章 指令系統(tǒng) 5 指令系統(tǒng)的性能 1. 完備性 完備性是指用匯編語言編寫各種程序時(shí) ， 指令系統(tǒng)直接提供的指令足夠使用 ， 而不必用軟件來實(shí)現(xiàn) 。 完備性要求指令系統(tǒng)豐富 、 功能齊全 、 使用方便高效 。 2. 高效性 高效性是指利用該指令系統(tǒng)所編寫的程序能夠高效率地運(yùn)行 。高效率主要表現(xiàn)在程序占據(jù)存儲空間小 ， 執(zhí)行速度快 。 3. 規(guī)整性 規(guī)整性包括指令系統(tǒng)的對稱性 、 勻齊性 、 指令格式和數(shù)據(jù)格式的一致性 。 4. 兼容性 系列機(jī)各機(jī)種之間具有相同的基本結(jié)構(gòu)和共同的基本指令集 ，因而 ， 指令系統(tǒng)是兼容的 ， 即各機(jī)種上基本軟件可以通用 。 計(jì)算機(jī)組成原理 第四章 指令系統(tǒng) 6 計(jì)算機(jī)語言與硬件結(jié)構(gòu)的關(guān)系 一臺計(jì)算機(jī)能夠直接識別并執(zhí)行的語言并不是高級語言 ，而是一種用二進(jìn)制碼表示的 、 由一系列指令組成的機(jī)器語言 。因此 ， 任何問題不管使用那一種計(jì)算機(jī)語言 （ 匯編語言或某種高級語言 )描述 ， 都必須通過翻譯程序轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的機(jī)器語言后才能執(zhí)行 。 機(jī)器語言存在著可讀性差 、 不易編程 、 不易維護(hù)等許多缺陷 ， 這就給編寫程序帶來許多困難 。 但是 ， 可以用預(yù)先規(guī)定的符號來分別替代用二進(jìn)制碼表示的操作碼 、 操作數(shù)或地址 ， 這種用助記符來表示二進(jìn)制碼指令序列的語言 ， 稱為匯編語言(Assembly Language)， 它基本上是與機(jī)器語言一一對應(yīng)的 。 計(jì)算機(jī)組成原理 第四章 指令系統(tǒng) 7 指令格式就是用二進(jìn)制代碼表示的一條指令的結(jié)構(gòu)形式 ，通常由操作碼和地址碼兩種字段組成 。 操作碼字段表征指令操作的性質(zhì)和功能 ， 地址碼字段通常指定參與操作的操作數(shù)的地址 。 一條指令的指令格式形式為： 計(jì)算機(jī)指令格式的設(shè)定一般與機(jī)器的字長 、 存儲器的容量以及指令的功能有關(guān) 。 4． 2 指令格式 操作碼字段 地址碼字段 計(jì)算機(jī)組成原理 第四章 指令系統(tǒng) 8 指令操作碼與地址碼 1. 操作碼 指令中參加運(yùn)算的操作數(shù)既可存放在主存儲器中 ， 也可存放在寄存器中 ， 地址碼應(yīng)該指出該操作數(shù)所在的存儲器地址或寄存器地址 。 根據(jù)指令的操作數(shù)地址碼的數(shù)目的不同 ， 可將指令分成零地址指令 、 一地址指令 、 二地址指令 、 三地址指令和多地址指令等多種格式 。 操作碼指出該指令應(yīng)該執(zhí)行什么性質(zhì)的操作和具有何種功能。不同的指令用操作碼字段的不同編碼來表示，每一種編碼代表一種指令。 計(jì)算機(jī)組成原理 第四章 指令系統(tǒng) 9 (1) 三地址指令格式 其格式為 OPCODE—— 操作碼 ， A1—— 第一個(gè)源操作數(shù)存儲器地址或寄存器地址 ， A2—— 第二個(gè)源操作數(shù)存儲器地址或寄存器地址 ， A3—— 操作結(jié)果的存儲器地址或寄存器地址 。 其數(shù)學(xué)形式描述為： (A1) OP (A2)→A3 OPCODE A1 A2 A3 計(jì)算機(jī)組成原理 第四章 指令系統(tǒng) 10 （ 2） 二地址指令格式 其格式為 OPCODE—— 操作碼 ， A1—— 第一個(gè)源操作數(shù)存儲器地址或寄存器地址 ， A2—— 第二個(gè)源操作數(shù)和存放操作結(jié)果的存儲器地址或寄存器地址 。 其數(shù)學(xué)形式描述為： (A1) OP (A2)→A1 或者 (A1) OP (A2)→A2 OPCODE A1 A2 計(jì)算機(jī)組成原理 第四章 指令系統(tǒng) 11 (3) 一地址指令格式 其格式為 OPCODE—— 操作碼 ， A—— 操作數(shù)的存儲器
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