【正文】 的位橫為 1,可省去 . 階碼部分采用移碼表示 ,移碼值 127,1到 254經(jīng)移碼為 126到 +127. S(1 位 ) E(8 位 ) M(23位 ) N(共 32 位 ) 符號(hào)位 0 0 0 符號(hào)位 0 不等于 0 (1)S() 為非規(guī)格化 數(shù) 符號(hào)位 1 到 254之間 (1)S() 為規(guī)格化數(shù) 符號(hào)位 255 不等于 0 NaN(非數(shù)值 ) 符號(hào)位 255 0 無(wú)窮大 0 有了精確的表示 ,無(wú)窮大也明確表示 .對(duì)于絕對(duì)值較小的數(shù) ,可以采用非規(guī)格化數(shù)表示 ,減少下溢精度損失 .非規(guī)格化數(shù)的隱含位是 0,不是 1. （三） 指令系統(tǒng) 人們習(xí)慣把每一條機(jī)器語(yǔ)言的語(yǔ)句稱為 機(jī)器指令 ,而又將全部機(jī)器指令的集合稱為機(jī)器的 指令系統(tǒng) 指令的執(zhí)行過(guò)程 讀取指令 指令地址 (在 PC 中 )送到 地址寄存器 讀主存 ,讀出內(nèi)容 (指令代碼 )送入指令寄存器 IR 分析指令 形成下一條指令的地址并送到 PC 中 執(zhí)行指令 用一到幾個(gè)執(zhí)行步驟 ,完成指令的運(yùn)算、操作功能 , 不同的指令操作步驟和具體運(yùn)算、操作功能各不相同 減產(chǎn)有無(wú)中斷請(qǐng)求 無(wú)中斷請(qǐng)求、進(jìn)入下一條指令的執(zhí)行過(guò)程 (一 ) 指令格式 1. 指令的基本格式 計(jì)算機(jī)是通過(guò)執(zhí)行指令來(lái)處理各種數(shù)據(jù)的 .為了指出數(shù)據(jù)的來(lái)源 ,操作結(jié)果的去向及所執(zhí)行的操作 ,一條指令必須包含下列信息 : (1)操作碼 ,具體說(shuō)明了操作的性質(zhì)及功能 . (2)操作數(shù)的地址 . (3)操作結(jié)果的存儲(chǔ)地址 . (4)下一條指令的地址 . 從上述分析可知 ,一條指令實(shí)際上包括兩種信息即操作碼和地址碼 . 操作碼 (operation code)用來(lái)表示該指令所要完成的操作 (如加 ,減 ,乘 ,除 ,數(shù)據(jù)傳送等 ),其長(zhǎng)度取決于指令系統(tǒng)中的指令條數(shù) .如操作碼占 7 位 ,則該機(jī)器最多包含 27=128條指令 . 地址碼用來(lái)描述該指令的操作對(duì)象 ,或 直接給出操作數(shù)或 指出操作數(shù)的存儲(chǔ)器地址或寄存器地址 (即寄存器名 ). 操作碼的長(zhǎng)度不固定會(huì)增加指令譯碼和分析難度 ,使控制器的設(shè)計(jì)復(fù)雜 . 操作碼 尋址地址 形式地址 A 形式地址 指令字中的地址 有效地址 操作數(shù)的真實(shí)地址 約定 指令字長(zhǎng) =存儲(chǔ)字長(zhǎng) =機(jī)器字長(zhǎng) 2. 定長(zhǎng)操作碼指令格式 1)零地址指令 格 式 : OP—— 操作碼 OP 指令中只有操作碼 ,而沒(méi)有操作數(shù)或沒(méi)有操作數(shù)地址 .這種指令有兩種可能 : (1)無(wú)需任何操作數(shù) ,如空操作指令 ,停機(jī)指令等 . (2)所需的操作數(shù)是默認(rèn)的 .如堆棧結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)的運(yùn)算指令 ,所需的操作數(shù)默認(rèn)在堆棧中 ,由堆棧指針 SP 隱含指出 ,操作結(jié)果仍然放回堆棧中 .又如 Intel 8086 的字符串處理指令 ,源 ,目的操作數(shù)分別默認(rèn)在源變址寄存器 SI 和目的變址寄存器 DI 所指定的存儲(chǔ)器單元中 . 2)一地址指令 格式 : OP—— 操作碼 A—— 操作數(shù)的存儲(chǔ)器地址或寄存器名 指令中只給出一個(gè)地址 ,該地址既是 操作數(shù)的地址 ,又是操作結(jié)果的存儲(chǔ)地址 .如加 1,減 1 和移位等單操作數(shù)指令均采用這種格式 ,對(duì)這一地址所指定的操作數(shù)執(zhí)行相應(yīng)的操作后 ,產(chǎn)生的結(jié)果又存回該地址中 . 在某些字長(zhǎng)較短的微型機(jī)中 (如早期的 Z80,Intel8080,MC6800 等 ),大多數(shù)算術(shù)邏輯指令也采用這種格式 ,第一個(gè)源操作數(shù)由地址碼 A 給出 ,第二個(gè)源操作數(shù)在一個(gè)默認(rèn)的寄存器中 ,運(yùn)算結(jié)果仍送回到這個(gè)寄存器中 ,替換了原寄存器內(nèi)容 ,通常把這個(gè)寄存器稱累加器 . 3)二地址指令 格式 : OP—— 操作碼 A1—— 第一個(gè)源操作數(shù)的存儲(chǔ)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(chǔ)器地址或寄存器地址 . 這是最常見(jiàn)的指令格式 ,兩個(gè)地址指出兩個(gè)源操作數(shù)地址 ,其中一個(gè)還是存放結(jié)果的目的地址 .對(duì)兩個(gè)源操作數(shù)進(jìn)行操作碼所規(guī)定的操作后 ,將結(jié)果存入目的地址 ,在本例中即為 A2 指定的地址 4)三地址指令 格式 : OP—— 操作碼 A1—— 第一個(gè)源操作數(shù)的存儲(chǔ)器地址或寄存器地址 A2—— 第二個(gè)源操作數(shù)的存儲(chǔ)器地址或寄存器地址 A3—— 操作結(jié)果的存儲(chǔ)器地址或寄存器地址 其操作是對(duì) A1,A2 指出的兩個(gè)源操作數(shù)進(jìn)行操作碼 (OP)所指 定的操作 ,結(jié)果存入 A3中 . 6)多地址指令 在某些性能較好的大 ,中型機(jī)甚至高檔小型機(jī)中 ,往往設(shè)置一些功能很強(qiáng)的 ,用于處理成批數(shù)據(jù)的指令 ,如字符串處理指令 ,向量 ,矩陣運(yùn)算指令等 . 為了描述一批數(shù)據(jù) ,指令中需要多個(gè)地址來(lái)指出數(shù)據(jù)存放的首地址 ,長(zhǎng)度和下標(biāo)等信息 3. 擴(kuò)展操作碼指令格式 設(shè)某機(jī)器的指令長(zhǎng)度為 16位 ,包括 4位基本操作碼字段和三個(gè) 4位地址字段 ,其格式下 : OP(4) A1(4) A2(4) A3(4) 4位基本操作碼有 16 個(gè)碼點(diǎn) (即有 16 種組合 ),若全部用于表示三地址指令 ,則只有 16 條 .但 ,若 三地址指令僅需 15 條 ,兩地址指令需 15條 ,一地址指令需 15 條 ,零地址指令需 16 條 ,共 61 條指令 ,應(yīng)如何安排操作碼？ 顯然 ,只有 4 位基本操作碼是不夠的 ,必須將操作碼的長(zhǎng)度向地址碼字段擴(kuò)展才行 . 一種可供擴(kuò)展的方法和步驟如下 : (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(gè)碼點(diǎn) 1111用于把操作碼擴(kuò)展到A1,即 4 位擴(kuò)展到 8位 。 (3)15 條一地址指令的操作碼由 12 位操作碼從 111111110000～ 111111111110 給出 ,剩下的一個(gè)碼點(diǎn)111111111111 用于把操作碼擴(kuò)展到 A3,即從 12 位擴(kuò)展到 16位 。 彈出指令 (POP)的操作剛好相反 ,是把棧頂?shù)臄?shù)據(jù)取出 ,送到指令所指定的目的地 . 一般的計(jì)算機(jī)中 ,堆棧從高地址向低地址擴(kuò)展 ,即棧底的地址總是大于或等于棧頂?shù)牡刂?(也有少數(shù)計(jì)算機(jī)剛好相反 )當(dāng)執(zhí)行壓入操作時(shí) ,首先把堆棧指針 (SP)減量 (減量的多少取決于壓入數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù) ,若壓入一個(gè)字節(jié) ,則減 1。當(dāng)執(zhí)行彈出操作時(shí) ,首先把 sp所指定的單元 (即棧頂 )的數(shù)據(jù)取出 ,然后根據(jù)數(shù)據(jù)的大小 (即所占的字節(jié)數(shù) )對(duì) SP增量 . 設(shè)計(jì)指令格式應(yīng)考慮的各種因素 指令系統(tǒng)集中反映了機(jī)器的性能 ,又是程序員編程的依據(jù) ,高檔機(jī)必須能兼容低檔機(jī)的程序運(yùn)行 ,稱之為“向上兼容” . 指令格式集中體現(xiàn)了指令系統(tǒng)的功能 .為此 ,在確定指令系統(tǒng)時(shí) ,必須從以下幾個(gè)方面綜合考慮 . ① 操作類型 ：包括指令數(shù)及操作的難易程度 ② 數(shù)據(jù) 類型 ：確定哪些數(shù)據(jù)類型可以參加操作 ③ 指令格式 ：包括指令字長(zhǎng)、操作碼位數(shù)、地址碼位數(shù)、地址個(gè)數(shù)、尋址方式類型、以及指令字長(zhǎng)和操作碼位數(shù)是否可變等 . ④ 尋址方式 ：包括指令和操作數(shù)具體有哪些尋址方式 . ⑤ 寄存器個(gè)數(shù)：寄存器的多少直接影響指令的執(zhí)行時(shí)間 . 尋址方式 詳情 指令尋址 順序?qū)ぶ? 順序?qū)ぶ?可通過(guò)程序計(jì)數(shù)器 PC 加 1 自動(dòng)形成下一條指令的地址 跳躍尋址 跳躍尋址 則通過(guò)轉(zhuǎn)移類指令實(shí)現(xiàn) 數(shù)據(jù)尋址 操作數(shù)本身設(shè)在指令字內(nèi) ,即形式地址 A不是操作數(shù)地址而是操作數(shù)本身 ? 指令執(zhí)行階段不訪存 ? A 的位數(shù)限制了這類指令所能表述的立即數(shù)的范圍 指令中的形式地址 A就是操作數(shù)的真實(shí)地址 EA,即 EA=A ? 執(zhí)行階段訪問(wèn)一次存儲(chǔ)器 ? 缺點(diǎn)在于 A 的位數(shù)限制了操作數(shù)的尋址范圍而且必須修改 A 的值才能修改操作數(shù)的地址 指令字中不明顯給出操作數(shù)的地址 ,其操作數(shù)的地址隱含在操作碼或某個(gè)寄存器中 ? 由于隱含尋址在指令字中少了一個(gè)地址 ,因此 ,這種尋址方式的指令有利于縮短指令字長(zhǎng) 倘若指令字中的形式地址不直接指出操作數(shù)的地址 ,而是指出操作數(shù)有效地址所在的存儲(chǔ)單元的地址 ,也就是說(shuō) ,有效地址是由形式地址間接提供的 ,即為間接地址 ,即 EA=(A) 優(yōu)點(diǎn) 1. 與直接尋址相比 ,擴(kuò)大了操作數(shù)的尋址范圍 ,因?yàn)?A 的位數(shù)通常小于指令字長(zhǎng) ,而存儲(chǔ)字長(zhǎng)可與指令字長(zhǎng)相等 2. 它便于編制程序 缺點(diǎn) ? 指令的執(zhí)行階段需要訪存兩次 (一次間接尋址 )或多次 (多次間接尋址 ),致使指令執(zhí)行時(shí)間延長(zhǎng) 在寄存器尋址的指令字中 ,地址碼字段直接指出了寄存器的編號(hào) ,即 EA=R ? 由于地址字段只需指明寄存器編號(hào) (計(jì)算機(jī)中寄存器數(shù)有限 )故指令字 ? 較短 ,節(jié)省了存儲(chǔ)空間 ,因此寄存器尋址在計(jì)算機(jī)中得到廣 泛應(yīng)用 ? 執(zhí)行階段不訪存 ,只訪問(wèn)寄存器 ,執(zhí)行速度快 ? 寄存器個(gè)數(shù)有限 ,可縮短指令字長(zhǎng) 有效地址 EA+=(Ri),因有效地址 ? 有效地址在寄存器中 , 操作數(shù)在存儲(chǔ)器中 ,執(zhí)行階段訪存 ? 便于編制循環(huán)程序 基址尋址需設(shè)有基址寄存器 BR,其操作數(shù)的有效地址 EA 等于指令字中的形式地址與基址寄存器中的內(nèi)容 (稱為基地址 )相加 ,即 EA=A+(BR) 采 用專用寄 ? 可擴(kuò)大尋址范圍 (三 ) CISC和 RISC的基本概念 1． CISC(復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī) ) 隨著 VLSI技術(shù)的發(fā)展 ,計(jì)算機(jī)的硬件成本不斷下降 ,軟件成本不斷提高 ,使得人們熱衷于在指令系統(tǒng)中增加更多 的指令和復(fù)雜的指令 ,來(lái)提高操作系統(tǒng)的效率 ,并盡量縮短指令系統(tǒng)與高級(jí)語(yǔ)言的語(yǔ)義差別 ,以便于高級(jí)語(yǔ)言的編譯和降低軟件成本 . 另外 ,為了做到程序兼容 ,同一系列計(jì)算機(jī)的新機(jī)器和高檔機(jī)的指令系統(tǒng)只能擴(kuò)充而不能減去任意一條 ,因此 ,促使指令系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜 ,某些計(jì)算機(jī)的指令多達(dá)幾百條 .例如 ,DEC 公司的 VAX 11/780 計(jì)算機(jī)有 303 條指令 ,18 種尋址方式 ,我們稱這些計(jì)算機(jī)為復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī) (plex instruction set puter,簡(jiǎn)稱CISC).Intel公司的 180X86 微處理 器 ,IBM公司的大 ,中計(jì)算機(jī)均為 CISC. 2． RISC(簡(jiǎn)單指令集計(jì)算機(jī) ) (1)RISC 的產(chǎn)生 1975 年 IBM 公司開(kāi)始研究指令的合理性問(wèn)題 ,IBM 的 John cocke 提出了 RISC 的想法 . 對(duì) CISC 的測(cè)試表明 : 最長(zhǎng)使用的是一些簡(jiǎn)單指令 ,占指令總數(shù)的 20%,但在程序中出現(xiàn)的頻率卻占 80%. 而占 20%的復(fù)雜指令 ,為實(shí)現(xiàn)其功能而設(shè)計(jì)的微程序代碼卻占總代碼的 80%.CISC 研制時(shí)間長(zhǎng) ,成本高 ,難于實(shí)現(xiàn)流水線 。 選用使用頻度較高的一些 簡(jiǎn)單指令 ,復(fù)雜指令的存 器作基址寄存器 ? 有利于多道程序 ? BR 內(nèi)容由操作系統(tǒng)或管理程序確定 ? 在程序的執(zhí)行過(guò)程中 BR 內(nèi)容不變 ,形式地址 A 可變 采 用通用寄存 器作基址寄存器 ? 由用戶指定哪個(gè)通用寄存器作為基址寄存器 ? 基址寄存器的內(nèi)容由操作系統(tǒng)確定 ? 在程序的執(zhí)行過(guò)程中 R0 內(nèi)容不變 ,形式地址 A 可變 變址尋址與基址尋址極為相似 .其有效地址 EA等于指令字中的形式地址 A與變址寄存器 IX 的內(nèi)容相加之和 ,即 EA=A+(IX) ? 可擴(kuò)大尋址范圍 ? IX 的內(nèi)容由用戶給定 ? 在程序的執(zhí)行過(guò)程中 IX 內(nèi)容可變 ,形式地址 A 不變 ? 便于處理數(shù)組問(wèn)題 ～的有效地址是將 PC 的內(nèi)容 (即當(dāng)前指令地址 )與指令字 中的形式地址 A(A 是相對(duì)于當(dāng)前指令的位移量 (可正可負(fù) ,補(bǔ)碼 )相加而成 ,即 EA=(PC)+A ? A 的位數(shù)決定操作數(shù)的尋址范圍 ? 程序浮動(dòng) ? 廣泛應(yīng)用于轉(zhuǎn)移指令 要求計(jì)算機(jī)中設(shè)有堆棧 .堆棧既可用寄存器組 (稱為硬堆棧 )來(lái)實(shí)現(xiàn) ,也可利用主存的一部分空間作堆棧 (稱為軟堆棧 ) ? 硬堆棧 多個(gè)寄存器 ? 軟堆棧 制定的存儲(chǔ)空間 功能由簡(jiǎn)單指令來(lái)組合 2)指令長(zhǎng)度固定 。 只有 LOAD / STORE 指令訪存 4)CPU 中的寄存器數(shù)量很多 。 采用 流水技術(shù) 一個(gè)時(shí)鐘周期 內(nèi)完成一條指令 6)硬布線控制邏輯為主 ,不用或少用微碼控制 。目前一些大公司 ,IBM,DEC,Intel,Motorola以將部分力量轉(zhuǎn)移到 RISC 方面 . (4)CISC 機(jī)與 RISC 機(jī)的主要特征對(duì)比 CISC RISC 指令系統(tǒng) 指令數(shù) 指令格式 指令字長(zhǎng) 尋址方式 可訪問(wèn)指令 各種指令使用頻率 各種指令執(zhí)行時(shí)間 復(fù)雜 ,龐大 一般大于 200 一般大于 4 一般大于 4