【正文】 制 16～ 23，寄存器 $t0～ $t7對(duì)應(yīng)的寄存器號(hào)為 8～ 15。 ? 為了便于書寫和閱讀程序，每條指令通常用 3個(gè)或 4個(gè)英文縮寫字母來表示。 ? 指令系統(tǒng)中指令采用 等長(zhǎng)指令 的優(yōu)點(diǎn)：各種指令字長(zhǎng)度是相等的，指令字結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且指令字長(zhǎng)度是不變的 ； ? 采用 非等長(zhǎng)指令 的的優(yōu)點(diǎn)：各種指令字長(zhǎng)度隨指令功能而異， 結(jié)構(gòu)靈活，能充分利用指令長(zhǎng)度，但指令的控制較復(fù)雜 。 15 指令字長(zhǎng)度 ? 概念 ? 指令字長(zhǎng)度（一個(gè)指令字包含二進(jìn)制代碼的位數(shù)） ? 機(jī)器字長(zhǎng)：計(jì)算機(jī)能直接處理的二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位數(shù)。 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(shù) A1 第二操作數(shù) A2 ? 功能描述： ? (A1) op(A2)→A1 ? (PC)+1→PC ? 二地址指令在計(jì)算機(jī)中得到了廣泛的應(yīng)用，但是在使用時(shí)有一點(diǎn)必須注意：指令執(zhí)行之后， A1中原存的內(nèi)容已經(jīng)被新的運(yùn)算結(jié)果替換了。 9 地址碼 ? 根據(jù)一條指令中有幾個(gè)操作數(shù)地址 ， 可將該指令稱為幾操作數(shù)指令或幾地址指令 。 ? 等長(zhǎng)（指令規(guī)整，譯碼簡(jiǎn)單） ? 例如 IBM 370機(jī)，該機(jī)字長(zhǎng) 32位， 16個(gè)通用寄存器 R0～R15，共有 183條指令；指令的長(zhǎng)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(zhǎng)度。 ? 組成操作碼字段的位數(shù)一般取決于計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)的規(guī)模。指令的操作碼 OP表示該指令應(yīng)進(jìn)行什么性質(zhì)的操作，如進(jìn)行加法、減法、乘法、除法、取數(shù)、存數(shù)等等。但由于不同機(jī)種推出的時(shí)間不同，在結(jié)構(gòu)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(jī)上運(yùn)行的軟件可以在高檔機(jī)上運(yùn)行。例如指令長(zhǎng)度和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度通常是字節(jié)長(zhǎng)度的整數(shù)倍。 ? 規(guī)整性： 規(guī)整性包括指令系統(tǒng)的對(duì)稱性、勻齊性、指令格式和數(shù)據(jù)格式的一致性。高效率主要表現(xiàn)在程序占據(jù)存儲(chǔ)空間小、執(zhí)行速度快。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。許多指令可用最基本的指令編程來實(shí)現(xiàn)。完備性要求指令系統(tǒng)豐富、功能齊全、使用方便。 (3)只有取數(shù)、存數(shù)指令訪問存儲(chǔ)器，其他指令的操作都在寄存器之間進(jìn)行。 (1)選取使用頻率高的簡(jiǎn)單指令，指令條數(shù)少。然而指令復(fù)雜了，指令的執(zhí)行時(shí)間必然加長(zhǎng)，從而使整個(gè)系統(tǒng)的執(zhí)行時(shí)間反而增加，因而在計(jì)算機(jī)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，軟硬件的功能分配必須恰當(dāng)，但是如此龐大的指令系統(tǒng)不但使計(jì)算機(jī)的研制周期變長(zhǎng)，難以保證正確性，不易調(diào)試維護(hù)，而且由于采用了大量使用頻率很低的復(fù)雜指令而造成硬件資源浪費(fèi)。因?yàn)楝F(xiàn)在控制存儲(chǔ)器和主存的速度差縮小。 ? VLSI技術(shù)發(fā)展引起的問題 ? VLSI工藝要求規(guī)整性，而大量復(fù)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。指令系統(tǒng)多達(dá)二三百條。 ? 一臺(tái)計(jì)算機(jī)中所有機(jī)器指令的集合，稱為這臺(tái)計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)。微指令是微程序級(jí)的命令，它屬于硬件； ? 宏指令：由若干條機(jī)器指令組成的軟件指令，它屬于軟件； ? 機(jī)器指令：介于微指令與宏指令之間，通常簡(jiǎn)稱為指令，每一條指令可完成一個(gè)獨(dú)立的算術(shù)運(yùn)算或邏輯運(yùn)算操作。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(shù)類型 指令和數(shù)據(jù)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(duì)指令系統(tǒng)性能的要求 低級(jí)語言與硬件結(jié)構(gòu)的關(guān)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(jì)算機(jī)執(zhí)行某種操作的命令。從計(jì)算機(jī)組成的層次結(jié)構(gòu)來說，計(jì)算機(jī)的指令有微指令、機(jī)器指令和宏指令之分。 ? 本章所討論的指令，是機(jī)器指令。 ? 指令系統(tǒng)是表征一臺(tái)計(jì)算機(jī)性能的重要因素，它的格式與功能不僅直接影響到機(jī)器的硬件結(jié)構(gòu)，而且也直接影響到系統(tǒng)軟件，影響到機(jī)器的適用范圍 4 指令系統(tǒng)的發(fā)展 發(fā)展情況 ? 復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱 CISC。 CISC中大約有 20%的指令使用頻率高，占據(jù)了 80%的處理機(jī)時(shí)間，而有 80%的不常用指令只占用處理機(jī)的 20%時(shí)間。 ? 現(xiàn)在用微程序?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜指令與用簡(jiǎn)單指令組成的子程序相比，沒有多大的區(qū)別。 ? CISC中，通過增強(qiáng)指令系統(tǒng)的功能，簡(jiǎn)化了軟件，增加了硬件的復(fù)雜程度。 ? 精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)：簡(jiǎn)稱 RISC，人們又提出了便于 VLSI技術(shù)實(shí)現(xiàn)的精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)。 (2)指令條數(shù)固定，指令格式種類少，尋址方式種類少。 5 對(duì)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(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)。一臺(tái)計(jì)算機(jī)中最基本、必不可少的指令是不多的。例如，乘除運(yùn)算指令、浮點(diǎn)運(yùn)算指令可直接用硬件來實(shí)現(xiàn)，也可用基本指令編寫的程序來實(shí)現(xiàn)。 ? 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(yùn)行。一般來說，一個(gè)功能更強(qiáng)、更完善的指令系統(tǒng)，必定有更好的有效性。對(duì)稱性是指：在指令系統(tǒng)中所有的寄存器和存儲(chǔ)器單元都可同等對(duì)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(zhì)的指令可以支持各種數(shù)據(jù)類型，如算術(shù)運(yùn)算指令可支持字節(jié)、字、雙字整數(shù)的運(yùn)算，十進(jìn)制數(shù)運(yùn)算和單、雙精度浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算等；指令格式和數(shù)據(jù)格式的一致性是指：指令長(zhǎng)度和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度有一定的關(guān)系，以方便處理和存取。 ? 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。 6 低級(jí)語言與硬件結(jié)構(gòu)的關(guān)系 低級(jí)語言與高級(jí)語言關(guān)系 比較內(nèi)容 高級(jí)語言 低級(jí)語言 1 對(duì)程序員的訓(xùn)練要求 (1)通用算法 (2)語言規(guī)則 (3)硬件知識(shí) 有 較少 不要 有 較多 要 2 對(duì)機(jī)器獨(dú)立的程度 獨(dú)立 不獨(dú)立 3 編制程序的難易程度 易 難 4 編制程序所需時(shí)間 短 較長(zhǎng) 5 程序執(zhí)行時(shí)間 較長(zhǎng) 短 6 編譯過程中對(duì)計(jì)算機(jī)資源的要求 多 少 7 指令格式 操作碼 地址碼 指令字長(zhǎng)度 指令助記符 指令格式舉例 ? 指令格式包括兩個(gè)方面： 操作碼字段 地址碼字段 8 操作碼 ? 設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)時(shí)，對(duì)指令系統(tǒng)的每一條指令都要規(guī)定一個(gè)操作碼。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。較大的指令系統(tǒng)就需要更多的位數(shù)來表示每條特定的指令。 ? 固定長(zhǎng)度編碼的主要缺點(diǎn)是：信息的冗余極大，使程序的總長(zhǎng)度增加。 ? 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(shù) A1 第二操作數(shù) A2 結(jié)果A3 ? 功能