【正文】 1 第四章 指令系統(tǒng) 指令系統(tǒng)的發(fā)展與性能要求 指令格式 操作數類型 指令和數據的尋址方式 典型指令 ARM匯編語言 返回 2 指令系統(tǒng)的發(fā)展與性能要求 指令系統(tǒng)的發(fā)展 對指令系統(tǒng)性能的要求 低級語言與硬件結構的關系 3 指令系統(tǒng)的發(fā)展 指令系統(tǒng)基本概念 ? 指令：就是要計算機執(zhí)行某種操作的命令。從計算機組成的層次結構來說，計算機的指令有微指令、機器指令和宏指令之分。微指令是微程序級的命令，它屬于硬件； ? 宏指令：由若干條機器指令組成的軟件指令，它屬于軟件； ? 機器指令：介于微指令與宏指令之間，通常簡稱為指令，每一條指令可完成一個獨立的算術運算或邏輯運算操作。 ? 本章所討論的指令，是機器指令。 ? 一臺計算機中所有機器指令的集合，稱為這臺計算機的指令系統(tǒng)。 ? 指令系統(tǒng)是表征一臺計算機性能的重要因素，它的格式與功能不僅直接影響到機器的硬件結構，而且也直接影響到系統(tǒng)軟件，影響到機器的適用范圍 4 指令系統(tǒng)的發(fā)展 發(fā)展情況 ? 復雜指令系統(tǒng)計算機，簡稱 CISC。指令系統(tǒng)多達二三百條。 CISC中大約有 20%的指令使用頻率高，占據了 80%的處理機時間，而有 80%的不常用指令只占用處理機的 20%時間。 ? VLSI技術發(fā)展引起的問題 ? VLSI工藝要求規(guī)整性，而大量復雜指令控制邏輯極其不規(guī)整，給VLSI工藝造成了很大的困難。 ? 現在用微程序實現復雜指令與用簡單指令組成的子程序相比，沒有多大的區(qū)別。因為現在控制存儲器和主存的速度差縮小。 ? CISC中，通過增強指令系統(tǒng)的功能，簡化了軟件，增加了硬件的復雜程度。然而指令復雜了，指令的執(zhí)行時間必然加長，從而使整個系統(tǒng)的執(zhí)行時間反而增加，因而在計算機體系結構設計中，軟硬件的功能分配必須恰當，但是如此龐大的指令系統(tǒng)不但使計算機的研制周期變長，難以保證正確性，不易調試維護，而且由于采用了大量使用頻率很低的復雜指令而造成硬件資源浪費。 ? 精簡指令系統(tǒng)計算機：簡稱 RISC，人們又提出了便于 VLSI技術實現的精簡指令系統(tǒng)計算機。 (1)選取使用頻率高的簡單指令，指令條數少。 (2)指令條數固定，指令格式種類少，尋址方式種類少。 (3)只有取數、存數指令訪問存儲器，其他指令的操作都在寄存器之間進行。 5 對指令系統(tǒng)性能的要求 ? 完備性： 完備性是指用匯編語言編寫各種程序時，指令系統(tǒng)直接提供的指令足夠使用，而不必用軟件來實現。完備性要求指令系統(tǒng)豐富、功能齊全、使用方便。一臺計算機中最基本、必不可少的指令是不多的。許多指令可用最基本的指令編程來實現。例如，乘除運算指令、浮點運算指令可直接用硬件來實現，也可用基本指令編寫的程序來實現。采用硬件指令的目的是提高程序執(zhí)行速度，便于用戶編寫程序。 ? 有效性： 有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行。高效率主要表現在程序占據存儲空間小、執(zhí)行速度快。一般來說，一個功能更強、更完善的指令系統(tǒng)，必定有更好的有效性。 ? 規(guī)整性： 規(guī)整性包括指令系統(tǒng)的對稱性、勻齊性、指令格式和數據格式的一致性。對稱性是指：在指令系統(tǒng)中所有的寄存器和存儲器單元都可同等對待，所有的指令都可使用各種尋址方式；勻齊性是指：一種操作性質的指令可以支持各種數據類型，如算術運算指令可支持字節(jié)、字、雙字整數的運算，十進制數運算和單、雙精度浮點數運算等；指令格式和數據格式的一致性是指：指令長度和數據長度有一定的關系，以方便處理和存取。例如指令長度和數據長度通常是字節(jié)長度的整數倍。 ? 兼容性： 系列機各機種之間具有相同的基本結構和共同的基本指令集，因而指令系統(tǒng)是兼容的，即各機種上基本軟件可以通用。但由于不同機種推出的時間不同，在結構和性能上有差異，做到所有軟件都完全兼容是不可能的，只能做到“向上兼容”，即低檔機上運行的軟件可以在高檔機上運行。 6 低級語言與硬件結構的關系 低級語言與高級語言關系 比較內容 高級語言 低級語言 1 對程序員的訓練要求 (1)通用算法 (2)語言規(guī)則 (3)硬件知識 有 較少 不要 有 較多 要 2 對機器獨立的程度 獨立 不獨立 3 編制程序的難易程度 易 難 4 編制程序所需時間 短 較長 5 程序執(zhí)行時間 較長 短 6 編譯過程中對計算機資源的要求 多 少 7 指令格式 操作碼 地址碼 指令字長度 指令助記符 指令格式舉例 ? 指令格式包括兩個方面： 操作碼字段 地址碼字段 8 操作碼 ? 設計計算機時，對指令系統(tǒng)的每一條指令都要規(guī)定一個操作碼。指令的操作碼 OP表示該指令應進行什么性質的操作，如進行加法、減法、乘法、除法、取數、存數等等。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。 ? 組成操作碼字段的位數一般取決于計算機指令系統(tǒng)的規(guī)模。較大的指令系統(tǒng)就需要更多的位數來表示每條特定的指令。 ? 等長（指令規(guī)整，譯碼簡單） ? 例如 IBM 370機，該機字長 32位， 16個通用寄存器 R0～R15，共有 183條指令；指令的長度可以分為 16位、 32位和 48位等幾種，所有指令的操作碼都是 8位固定長度。 ? 固定長度編碼的主要缺點是：信息的冗余極大，使程序的總長度增加。 9 地址碼 ? 根據一條指令中有幾個操作數地址 ， 可將該指令稱為幾操作數指令或幾地址指令 。 ? 三地址指令 ? 二地址指令 ? 單地址指令 ? 零地址指令 操作碼（ 4位）Ａ 1（ 6位） 操作碼（ 4位）Ａ 1（ 6位） Ａ 2（ 6位） 操作碼（ 4位）Ａ 1（ 6位） Ａ 2（ 6位） 操作碼 A3（ 6位） 10 地址碼 ? 三地址指令 ? 指令格式如下： ? OP A1 A2 A3 ? 操作碼 op 第一操作數 A1 第二操作數 A2 結果A3 ? 功能描述： ? (A1) op(A2)→A3 ? (PC) +1→PC ? 這種格式雖然省去了一個地址，但指令長度仍比較長，所以只在字長較長的大、中型機中使用，而小型、微型機中很少使用。 11 地址碼 ? 二地址指令 ? 其格式如下： ? OP A1 A2 ? 操作碼 op 第一操作數 A1 第二操作數 A2 ? 功能描述： ? (A1) op(A2)→A1 ? (PC)+1→PC ? 二地址指令在計算機中得到了廣泛的應用，但是在使用時有一點必須注意：指令執(zhí)行之后， A1中原存的內容已經被新的運算結果替換了。 12 地址碼 ? 二地址地址根據操作數的物理位置分為： ? SS 存儲器 存儲器類型 ? RS 寄存器 存儲器類型 ? RR 寄存器 寄存器類型 慢 13 地址碼 ? 一地址指令 ? 指令格式為： ? OP A1 ? 操作碼 op 第一操作數 A1 ?