计算机组成原理(白中英)第4章指令系统

第四章 指令系统 概述 寻址方式 指令系统

2012年3月15日10时45分

概述 指令：是指示计算机某种操作的命令。微指令，机器指令，宏指令 指令系统：一台计算机中所有机器指令的集合。 它是机器硬件设计的依据，也是软件设计的基础。 它决定了一台计算机硬件的主要性能和基本功能。 是硬件和软件间的界面。 系列计算机：有共同的指令集，相同的基本体系结 构。

CISC和RISC2012年3月15日10时45分 2

一个完善的指令系统应满足：1.完备性：指令丰富，功能齐全，使用方便。 1.完备性：指令丰富，功能齐全，使用方便。 完备性 2.有效性 程序占空间小，执行速度快。 有效性： 2.有效性：程序占空间小，执行速度快。 3.规整性 对称性，匀齐性， 规整性： 3.规整性：对称性，匀齐性，指令格式和数 据格式的一致性。 据格式的一致性。 4.兼容性 兼容性： 4.兼容性： 向上兼容”----系列机中低档机上运行 “向上兼容”----系列机中低档机上运行 的软件可以在高档机上运行。 的软件可以在高档机上运行。

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计算机语言与硬件结构的关系 高级语言的语句和用法与具体机器的指令系统无 关； 低级语言分机器语言和汇编语言，他们和具体机 低级语言分机器语言和汇编语言， 器的指令系统密切相关。 器的指令系统密切相关。 汇编语言与硬件的关系密切，编写的程序紧凑、 汇编语言与硬件的关系密切，编写的程序紧凑、 占内存小、速度快， 占内存小、速度快，特别适合与编写经常与硬件 打交道的系统软件； 打交道的系统软件；而高级语言不涉及机器的硬 件结构，通用性强、编写程序容易， 件结构，通用性强、编写程序容易，特别适合与 编写与硬件没有直接关系的应用软件。 编写与硬件没有直接关系的应用软件。2012年3月15日10时45分 4

概述 机器指令的要素– – – – 操作码 源操作数 目的操作数 下一条指令的引用

指令字(简称指令)即表示一条指令的机器字。 指令字(简称指令)即表示一条指令的机器字。 指令格式则是指令字用二进制代码表示的结构形 指令格式 则是指令字用二进制代码表示的结构形 操作码字段和地址码字段组成 字段和地址码字段组成。 式，由操作码字段和地址码字段组成。

操作码2012年3月15日10时45分

操作数

操作数5

1.操作码设计计算机时， 设计计算机时 ， 对指令系统的每一条指令都 要规定一个操作码。 要规定一个操作码。 指令操作码表示该指令进行什么性质的操作, 指令操作码表示该指令进行什么性质的操作, 表征指令的操作特性与功能。 表征指

令的操作特性与功能。 组成操作码字段的位数一般取决于计算机指 令系统的规模。 令系统的规模。 例如， 一个指令系统只有8 条指令， 则有3 例如 ， 一个指令系统只有 8 条指令 ， 则有 3 位 操作码就够；如果有32条指令，那么就需要5 32条指令 操作码就够；如果有32条指令，那么就需要5位操 作码。 作码。

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2.地址码地址码字段通常指定参与操作的操 作数的地址。 作数的地址。根据一条指令中有几个操作数地址， 根据一条指令中有几个操作数地址，可将 该指令称为几操作数指令或几地址指令。目前， 该指令称为几操作数指令或几地址指令。 目前， 二地址指令和一地址指令用的最多。 二地址指令和一地址指令用的最多。三地址指令 二地址指令 一地址指令 零地址指令2012年3月15日10时45分

操作码 操作码 操作码 操作码

A1 A1 A1

A2 A2

A3

(1)零地址指令的指令字中只有操作码，而没有地 (1)零地址指令的指令字中只有操作码， 零地址指令的指令字中只有操作码 址码。 址码。 (2)一地址指令常称为单操作数指令。 (2)一地址指令常称为单操作数指令。 一地址指令常称为单操作数指令 OP (A) -> A (AC) OP (A) -> AC (3)二地址指令常称为双操作数指令。 (3)二地址指令常称为双操作数指令 二地址指令常称为双操作数指令。 (A1) OP (A2) -> A1 (4)三地址指令字中有三个操作数地址。 (4)三地址指令字中有三个操作数地址 三地址指令字中有三个操作数地址。 (A1) OP (A2) -> A3 OP表示操作性质;(AC)表示累加寄存器AC中的数； OP表示操作性质 表示操作性质; AC)表示累加寄存器AC中的数； AC中的数 (A)表示内存中地址为A的存储单元中的数或运 表示内存中地址为A 算器中地址为A的通用寄存器中的数； 算器中地址为A的通用寄存器中的数；→表示把操 运算)结果传送到指定的地方。 作(运算)结果传送到指定的地方。2012年3月15日10时45分 8

二地址指令格式中，从操作数的物理位置来说， 二地址指令格式中，从操作数的物理位置来说， 又可归结为三种类型。 又可归结为三种类型。 存储器-存储器(SS)型指令：操作时都是涉及 存储器-存储器(SS)型指令：内存单元，参与操作的数都放在内存里， 内存单元，参与操作的数都放在内存里，从内存某单 元中取操作数，操作结果存放至内存另一单元中， 元中取操作数，操作结果存放至内存另一单元中，因 此机器执行这种指令需要多次访问内存。 此机器执行这种指令需要多次访问内存。

寄存器-寄存器(RR)型指令：需要多个通用寄 寄存器-寄存器(RR)型指令：

存器或个别专用寄存器，从寄存器中取操作数， 存器或个别专用寄存器，从寄存器中取操作数，把操 作结果放到另一寄存器。机器执行寄存器作结果放到另一寄存器。机器执行寄存器-寄存器型指 令的速度很快，因为执行这类指令，不需要访问内存。 令的速度很快，因为执行这类指令，不需要访问内存。

寄存器-寄存器(RS)型指令：执行此类指令时， 寄存器-寄存器(RS)型指令：执行此类指令时，既要访问内存单元，又要访问寄存器。 既要访问内存单元，又要访问寄存器。2012年3月15日10时45分 9

3.指令字长度一个指令字中包含二进制代码的位数，称为 指令字长度。而机器字长是指计算机能直接处理 的二进制数据的位数，与主存单元的位数一致， 它决定了计算机的运算精度。

它们之间关系如上：其中L为指令字长度， 它们之间关系如上：其中L为指令字长度，N为机器字长度2012年3月15日10时45分 10

使用多字长指令，目的在于提供足够的地 址位来解决访问内存任何单元的寻址问题。其 主要缺点是必须两次或多次访问内存以取出一 整条指令，降低了CPU的运算速度，又占用了 更多的存储空间。 等长指令字结构:各种指令字长度是相等的。 这种指令字结构简单，且指令字长度是不变的。 变长指令字结构:各种指令字长度随指令功 能而异。结构灵活，能充分利用指令长度，但 指令的控制较复杂。2012年3月15日10时45分 11

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