计算机组成原理——指令系统

6 章 指 令 系 统

根本知识点:指令系统和指令的根本观点,指令体式,指令买卖码生长技术,多种处置方式及其特征,RISC 和 CISC 指令系统的特征。


点:
指令体式,指令买卖码生长技术,多种处置方式及其特征。


点:
指令体式,指令买卖码生长技术,多种处置方式及其特征。

知识点 1:指令系统的根本观点

.1 要点归结

1. 教导的根本个人财产

一指令是机具语言的宣判。,它是一组重量为的二元系法典。,说起来,每个指令的每一拆移都可以显得不错是一数字。,这些数字的结成形状了一指令。。量子化的教导的个人财产高等的机具语言。,这般的指令序列称为机具法典。。教导的根本个人财产列举如下:

买卖法典表明了安装的运转特点和功用。,地址法典供应买卖数的地址。。

指令的大小是表现在一圆整数做成某事二元系法典的数字。,这不求再进买卖码字母段的大小。、买卖数地址的整个含义和大小。指令大小与机具字L中间不小心紧握的相干。,它可以相等的整个含义机具的字长。,也可以大于或没有机具字长。通常,指令大小相等的整个含义T大小的指令,指令大小相等的整个含义机具字大小的部分。,指令大小相等的整个含义两个机具字的大小,即。

在一指令系统中,水果掌握指令都是紧握大小的,固定长度指令机构。指令的大小随指令职务而多种多样的。,易变的大小指令机构。固定长度指令机构操纵系统复杂。,但不敷活泼。,加长机构指令系统活泼但把持较复杂。

1)几种经用指令体式

数纸机不得不实行指令的掌握信息必然是。依据地址码的机构,将其分为

拥护者指令体式。

1)四地址指令

其指令体式列举如下:

重要性:(A1) OP (A2) → A3,A4=要实行的下一命令的地址。。

指明牵涉:OP 具体买卖,AI意味地址。,(ai)教使想起力在地址做成某事目录。。实行具有四价元素地址的双地址指令。,协同不得不观赏 4 附带主使想起力器:一号指令亲手执意一号指令。;第 2 一号买卖数;第 3 次取瞬间买卖数;第 4 生活运转水果。

水果指令字长 32 位,买卖法典记述 8 位,4 每个地址码字母段被占领。 6 位,指令买卖数的直率的处置视野是 26=64。

2)三地址指令

其指令体式列举如下:

重要性:(A1) OP (A2) → A3,(PC) + 1 → 巡逻车(暗含)

指明牵涉:OP 具体买卖,AI意味地址。,PC 挨次计数完整符合,用于使想起力下又形指令的地址,如此开除了四地址指令 A4,使成形一较短的三地址指令。

实行具有三个地址的双地址指令。,还不得不观赏 4 附带主使想起力器:一号指令亲手执意一号指令。;第 2一号买卖数;第 3 次取瞬间买卖数;第 4 生活运转水果。

水果指令字长 32 位,买卖法典记述 8 位,3 每个地址码字母段被占领。 8 位,指令买卖数的直率的处置视野是 28=256。

3)双地址指令

其指令体式列举如下:

重要性:(A1) OP (A2) → A1,(PC) + 1 → 巡逻车(暗含)

指明牵涉:A1是目的买卖数地址。,A2是源买卖数地址。。

实行具有两个地址的双地址指令。,协同不得不观赏 4 附带主使想起力器:一号指令亲手执意一号指令。;第 2个目的买卖数;第 3 二次源买卖数;第 4 生活运转水果。销毁源买卖数地址的原始目录。。

水果指令字长 32 位,买卖法典记述 8 位,两每个地址码字母段被占领。 12 位,指令买卖数的直率的处置视野是 212=4K。

两个地址指令有两个买卖数。,这些买卖数一点儿也没有永远在主存储器中。,普通完整符合中通常有一两个。,这形状了多种多样的的典型。,咨询前面两个地址指令的归类。。当买卖数位在普通完整符合中时,每个货币完整符合都有一序列号。,您不得不装设类似的完整符合号。。

4)一地址指令

其指令体式列举如下:

重要性:(ACC) OP (A1) → ACC,(PC) + 1 → 巡逻车(暗含)

指明牵涉:ACC 总和完整符合。

用一地址实行双地址指令。,协同不得不观赏两附带主使想起力器:一号指令亲手执意一号指令。;第 2次瞬间买卖数。

水果指令字长 32 位,则买卖法典记述 8 位,地址码字母段占领 24 位,指令买卖数的直率的处置视野是 224=16M。

5)零地址指令

其指令体式列举如下:

重要性:无地址码。譬如,空买卖(NOP)、使立定时期(HLT)、子挨次重现(RET)和拦截重现(IRET)等。,这般的指令不小心地址码。,其买卖数的地址使安顿在堆栈的顶部指导者上。 SP 中。

譬如,零地址添加剂指令仅用于堆栈数纸机。,买卖数和水果使想起力在堆栈中。,分担添加剂运算的两个买卖数隐式地记号U。,发送到运算单元实行运算。,计算水果隐式地紧缩到堆栈中。。掌握这些指令将被实行。(PC)+1→PC。

2)两个地址指令的归类

两个地址指令有两个买卖数。,这些买卖数一点儿也没有永远在主存储器中。,普通完整符合中通常有一两个。,这形状了多种多样的的典型。,表 列出了多种多样的典型的二地址指令的分别。

流行,M-M 可以表现为 MM 或 SS,R-M 可以表现为 RM 或 RS。

3)买卖数典型和信息使想起力文字

机具中普通的的买卖数典型有地址。、数字、刻和逻辑信息等。。

通常使想起力在数纸机做成某事信息使想起力在使想起力器或完整符合中。,完整符合的整个含义可以公布机具的字长。。普通局面下,机具字的大小是八位字节。 1、2、4、8 倍,这便于刻处置。。鉴于机具信息多种多样的,字长多种多样的。,每个机具处置的信息的字长不同意。,有 8(八位字节)、16(字)、32(双字)和64(四字)。当信息不克不及满意的必要先决条件的时,你可以包装材料一空白八位字节。,有两种八位字节。,一是低八位字节低地址。,可供选择的事物是高位八位字节低地址。。

在信息不注册边的数纸机中,信息(譬如,一字)可以在两个使想起力单元中。,此刻接近两个使想起,在取字先于调理高位和低位的评价。。

指令体式做成某事每个地址码的整个含义与,主内存越大,存取掌握使想起力太空所需的地址法典越长,大小越长。。别的,以字(16 位或更长是处置单元,与八位字节(8)相形。 处置单元所需的地址码的整个含义较不重要的。。

2. 固定长度Opcode体式

指令系统做成某事每又形指令都有一唯一的的买卖码,多种多样的指令,其买卖码的编码也多种多样的。。同样的人的固定长度Opcode体式是指n。。

装出指令系统公共用地 m 条形指令,指令做成某事买卖法典领域数为 N 位,m 和 N 有以下相干。:

m≤2N,即 N≥log2m

依据指令体式做成某事地址法典的整个含义,教、一地址指令、二地址指令、三地址指令和多地址指令。。

3. 生长Opcode体式

买卖码体式的生长是,买卖码的大小跟随O数的缩减而供给物。,具有多种多样的地址号码的指令可以有多种多样的的买卖码。。这是满意的不得不的补助金。,无效延长指令字长。。如图 这是生长买卖法典的一种方式。,公共用地 61 条形指令。

在设计买卖法典指令体式时,我们家必然小心以下两点。:

☆ 短法典不小心前缀是长法典。,也执意说,短买卖法典不克不及与FRO做成某事法典使相等。。

☆ 各条形指令的买卖码必然不克不及反复。

通常局面下,高频敷说明,分派短法典,敷频率低的指令,

指固定长度买卖码,如此最低消费指令解码和辨析的时期。。

【例 】 补助金指令字大小为 16 位,买卖数的地址码是 6 位,指令有两种体式:零地址和一地址。。

1)设置买卖码紧握。,零地址指令有 512 种,有整个含义种地址指令?

2)采取生长买卖码技术。。,零地址指令有 512 种,有整个含义种地址指令?

解:(1)用于一地址指令,买卖码大小=16-6=10,这 10 位买卖码可能性在。 210=1024 种子作业。买卖码紧握,也执意说,一地址的零地址和买卖码大小。 10 位,使死亡零地址指令。 512种,其余的的地址指令是最长的。 1024-512=512 种。

2)采取生长买卖码技术。。,易变的买卖码数,一地址和零地址的买卖码大小为10。 和 16 位。可以看出,每个地址指令买卖码被O,它可以做得更多。 26零地址指令买卖码。

设置地址指令。 X 种,零地址指令最长(210-x)x 26种。,因主观:

(2^10-X)×2^6=512

因而,X=1016,即此种局面下,最长有一地址指令。 1016 种。

本例中第(1)买卖码指令属于固定长度买卖码。,第(2)款是一生长。

Opcode体式。考生应知道两种教导的个人财产的分别。

4. 多字的长指令体式

因机具信息的字长是多种多样的的。,每个机具处置的信息的字长不同意。。为了详述处置太空,您可以敷两个字长或更多的字长来使想起力一指令w。

1)双字指令

使想起力在两个机具字做成某事指令称为双字指令。。水果一号指令字使想起力在买卖数地址领域中,,信息可以被安置在一号指令字中。,在读取指令的同时也失掉相互关系信息。;要不然,结果却使想起力在瞬间个指令字中。。譬如,水果机具字长是 16 位,两个字指令体式的设计列举如下:

2)三刻指令

使想起力在三个机具字做成某事指令称为三字指令。。譬如,水果机具字长是 16 位,设计三刻指令

体式列举如下:

5. 指令体式的使最优化与设计

指令体式使最优化设计有两个次要目的。:率先,生活挨次的使想起力太空。;二、指令体式应尽量性法则。,减少五金器具解码的错综复杂的个人财产。。

敷哈夫曼紧缩法,依据每种指令的敷频率,具有高频指令的买卖码用较短的方式表现。,低频率指令的买卖法典用Lon表现。,使平均分配二元系数更短。。

哈夫曼编码的步骤列举如下。:

建筑物Huffman tree。敷掌握频率值作为树压紧。,找到两个最小额定的的添加剂。,增值使付出努力是新压紧的体重。,把它给予作为匹敌。,持续添加两个最小体重的压紧。,使成形一新的压紧,反复上述的步骤。,直到根压紧。

哈夫曼编码。依据左派的两棵叉树 1 右 0 的准则,以Huffman tree为指明。此后从根压紧到叶状的结构压紧的小路上的二元系指明即为该叶状的结构压紧对应的哈夫曼编码,敷它作为这种指令的买卖法典。。

知识点 2:指令处置方式

.1 要点归结

1. 无效地址的观点

指令的地址码字母段不必然代表,称之为正式地址。,记为 A。买卖数的实践地址称为无效地址。,记为 EA,它是经过处置方式和个人财产地址协同确定的。。

同样的人处置方式,它是找到指令或买卖数的无效地址的方式。,也执意指确定本条形指令的信息地址随着下又将要实行的指令地址的方式。处置分为两类:指令处置和信息A。。

2. 信息处置和指令处置

1)指令处置

指令处置分为两类:挨次处置和挨次处置。:

☆ 挨次处置。经过挨次登记 PC 加 1,无意识的使成形下又形指令的地址。

☆ 摘葎草花处置。经过进展指令。譬如,朝着 JMP 7 指令,无论方式在什么评价,实行后,完整地元气 7 送至 PC,齐足跳行其他的指令,直率的实行第 7 条形指令。

2)信息处置

有更多的信息处置方式。,为了区别各式各样的方式,通常在指令中设置领域。,用于装设要处置的地址。,指令的体式在Fig.显示。 所示。

3. 货币信息处置方式

1)马上处置

马上处置方式是:买卖数亲手在指令字中。,即个人财产地址 A 它过失买卖数的地址,只因为买卖数亲手的地址。,它也高等的马上数。。信息以补其不足个人财产使想起力。,如图 所示,单击表现马上处置特点。。

特征:指令不使想起力在实行阶段。,但 A 数字的整个含义限度局限了即时数字的视野。。

直率的处置通经用于将原值分派给完整符合。。

2)直率的处置

直率的处置是:指令字做成某事个人财产地址 A 买卖数的实践地址。 EA,即 EA=A。如图 所示。

特征:复杂,只接近一附带主使想起力器,但 A 一转眼数限度局限买卖数的处置视野。,譬如 A 为 8 位,处置视野是 28=256 个使想起力单元,相朝着主内存太空,为了视野太小了。。

3)隐式处置

隐式处置方式是:买卖数在买卖法典或完整符合中是隐式的。。譬如,一地址体式的附加指令只给予一启动的地址。,另一买卖数在总和器中是隐式的。 ACC 中,如图 所示。

特征:延长指令字长,然而不得不额定的五金器具。。

4)间接的处置

间接的处置方式是:指令做成某事个人财产地址不直率的教地址。,它指的是使想起力单元的地址,其做成某事无效地址是,亦即,无效地址是由正式地址间接的给予的。,称为间接的处置,即 EA=(A),如图 所示,这是间接的处置。,也可以停止多个间接的处置。。

譬如,若 A 为 8 位,直率的处置视野 2^8,间接的处置评价是可抵达的。 2^8×2^8=2^16。

特征:经过间接的处置生长处置视野。,然而指令不得不在实行阶段屡次接近。,一间接的处置不得不接近主使想起力器。 2 次,两个间接的处置不得不接近主使想起力器 3 次,以次类推,n 间接的间接的处置必要先决条件的接近主使想起力器。 n+1 次。

5)完整符合处置

完整符合处置方式:在指令字中直率的供应完整符合号。,即 EA=Ri,买卖数位于Ri所称的完整符合中。。

特征:可以缩减指令字的大小。,指令实行阶段不接近,仅接近完整符合,事业快,然而我们家不得不敷完整符合。,数纸机中完整符合的整个含义是直达的火车或汽车的。。

6)完整符合间接的处置

完整符合间接的处置方式是:完整符合 RI过失买卖数。,它是买卖数的主使想起力单元的地址。,即 EA=(Ri)。

特征:比普通间接的处置快,但与完整符合处置相形,指令的实行阶段不得不接近内存(买卖数)。。

7)地址可处置

低级的址的处置方式是:装备基址完整符合 BR,买卖数的无效地址 EA 相等的整个含义指令字做成某事个人财产地址。和基完整符合。 BR 目录(称为低级的址)被加在一起。,即 EA=A+(BR)。

时而,根本地址可以放在货币完整符合中。,这般,用户就标志了哪一货币完整符合来使想起力基A。,譬如,上面的指令体式教低级的址使想起力I 国际扶轮总登记册:

特征:详述处置视野(因基址完整符合的位数可以大于个人财产地址 A 位数),符合的多通话线路的挨次设计,然而不得不额定的五金器具。。

通常基址完整符合BR做成某事目录完整由买卖系统或神通确定。,也执意说,基完整符合是面对买卖系统的。,用户不克不及恣意更衣。

8)涉及处置

涉及处置方式:其无效地址 EA 相等的整个含义指令字做成某事个人财产地址。 A 与变址完整符合 IX 添加的目录积和,即 EA=A+(IX)。IX 是一特别的涉及完整符合。,货币完整符合也可以用作涉及完整符合。。

特征:生长处置视野(给予涉及完整符合i的整个含义) A 位数),便于部署兵力买卖等。,然而不得不额定的五金器具。。

涉及处置和根本处置的分别是,变址完整符合IX做成某事目录由用户供应。,这执意说,涉及完整符合是面对用户的。。

9)对立处置

对立处置方式是:无效地址是挨次登记。 PC 目录(现在指令的地址)和T做成某事正式地址 A 相加而成,即 EA=(PC)+A。

朝着JMP A传送指令,随时CPU从内存中难解的一八位字节时,,会无意识的实行(PC)+1→PC,水果调动指令的地址是X,且占 2 个八位字节,指令使死亡后,PC的使付出努力将会供给物。 2,如此,PC的值变为X 2。,这将无意识的略过到X 2 地址并持续实行AFT。。

特征:调动地址过失紧握的。,可随 PC 不求再进使付出努力的多种多样的。,如此,无论方式挨次在主内存做成某事哪个评价,它都可以实行。,有助于编制漂挨次。。

10)堆栈处置

堆栈处置方式:电脑里有一书架。,买卖数结果却使想起力或从,可以显得不错是隐式处置。。

特征:无主内存接近,接近堆栈时不不得不接近堆栈单元地址。,但敷是直达的火车或汽车的。。

【例 】 数纸机的字长是 16 位,按八位字节编址,指令字大小为 16 位,一号八位字节(高八位字节)表现买卖法典(5)。 位处置方式 m(3 位),瞬间个八位字节(低八位字节)是地址码。。水果要实行指令,请将其放入主内存中。 100、101 两个八位字节中,指令 LOAD m A 表现来自某处主使想起力器单元的数字。,输出总和器 ACC 中。ACC、变址完整符合 IX、挨次登记 PC 均为 8 位,如图 所示,追求马上处置、直率的处置、间接的处置、敷对立地址和涉及处置文字来结尾IN。,ACC
目录是什么?

解:(1)在马上处置文字下。,买卖数直率的在指令中供应。,在地址码字母段中。,A=300,和装填 m A 指令用于将 A 信息送入 ACC 中,即 A→ACC,因而(ACC)=A=300。

2)直率的处置方式。,EA=A=300,而 LOAD m A 该指令用于(EA)到ACC。,因而

(ACC)=(EA)=(300)=102。

3)在间接的处置文字下。,A=300,EA=(A)=(300)=102,LOAD m A 该指令用于(EA)到ACC。,因而(ACC)=(EA)=(102)=200。

4)对立处置文字下。,A=300,EA=(PC)+A=100+300=400,而 LOAD m A 该指令用于(EA)到ACC。,因而(ACC)=(EA)=(400)=500。

5)在涉及处置文字下。,A=300,EA=(IX)+A=200+300=500,而 LOAD m A 该指令用于(EA)到ACC。,因而(ACC)=(EA)=(500)=600。

4. 指令典型

一台数纸机的指令系统通常有几十条至几百条形指令,依据其功用,可分为多种典型。,经用的指令典型列举如下。。

1)算术逻辑指令

用于忍受二元系添加剂。、减法、根本算术运算,如匹敌和供给。。通常局面下,依据算术运算的水果设置挨次个人财产字 PSW 整个个人财产位,普通有 水果是 0)、n(有女性气质的水果)、V(水果熔岩外喷)、C(开展进位或由上位借)4 国家的位置。当支架中装设的先决条件的满意的时,对应评价 1,要不然, 0。譬如,水果为 0 时,Z=1,要不然 Z=0,以次类推。

2)轮班作业教师

用于忍受换档买卖。可以分为算术移位。、逻辑移位和圆形的移位的三种典型,买卖数可以向左或在右边的除去。。

3)信息调动指令

用于完整符合和完整符合。、完整符合和使想起力器(主使想起力器)单元、使想起力单元与使想起力单元中间的信息调动。信息或排列信息可以一次调动。。

4)转变指令

挨次替换把持,分为完整地转变和先决条件的转变。。

☆ 完整地转变指令不受少许先决条件的约束。,直率的将挨次传送到指令装设的预定。,并持续在那里扮演。。

☆ 先决条件的转变指令确定挨次方式实行,它率先考验依据加工的水果设置的先决条件的法典。,此后依据考验先决条件的可能的选择确定转变。。通常局面下,算术指令创立的先决条件的码 N、Z、V、C 把持挨次的实行趋势。,成功挨次的分支扩张。

知识点 3:CISC 和 RISC 技术

.1 要点归结

1. 是什么 CISC 和 RISC

指令系统的开展有两种截然多种多样的的趋势,一是吹捧最初的教导的的功用。,设置更复杂的新指令以吹捧软件功用;二是缩减指令典型,预先消化指令功用。,向前推指令实行事业。前者称为复杂指令集数纸机。CISC),后者高等的精简指令集数纸机(RISC)。。

2. CISC 的特征

CISC 的最引人处是在指令系统中供给物更多、更复杂的指令,满意的多种多样的敷领域的不得不。。其次要特征列举如下。。:

☆ 指令系统复杂凶暴的,指令的整个含义普通是 200~300 条。

☆ 指令大小过失紧握的。,指令体式复杂的,处置方式多。

☆ 可以使想起力的指令不受限度局限。。

☆ 各式各样的指令的频率多种多样的很大。。

☆ 各式各样的指令的实行时期多种多样的很大。,变得越来越大指令不得不一很的记下时间盘旋才干结尾。。

☆ 变得越来越大把持器采取微挨次把持。。

☆ 用使最优化的COM难以开展高效的目的法典挨次。

3. RISC 的特征

RISC 的最引人处是必要先决条件的指令系统预先消化,尽量性敷完整符合完整符合买卖指令。其次要特征列举如下。。:

☆ 选择具有复杂指令的复杂指令的功用。

☆ 指令大小紧握,更少的指令体式,较不重要的处置文字。

☆ 最适当的 整枝/使想起力(获取/生活)指令接近使想起力器,在完整符合中间实行其他的指令的买卖。。

☆ CPU 有多个货币完整符合。。

☆ 把持器采取结成逻辑把持。。

☆ 采取清流技术,变得越来越大指令在一记下时间盘旋内结尾。。。

☆ 敷使最优化编译程序。

RISC机具必然是清流CPU,运转CPU不必然是RISC。。

4. RISC 和 CISC 的匹敌

RISC 和 CISC 匹敌列举如下。:

☆ RISC 更能尽量好好去做 VLSI 死亡的面积。CISC 变得越来越大把持器采取微挨次把持。,其把持使想起力器为 CPU 死亡占领的面积是 超越50%,而 RISC 机具把持器采取结成逻辑把持。。,它的硬架线逻辑只占 CPU 死亡面积的 10%摆布。

☆ RISC 买卖事业快。RISC 机具指令号、有较不重要的的处置文字和指令体式。,它还具有多个货币完整符合。,符合的清流线买卖。,如此计算事业更快。,变得越来越大指令在一记下时间盘旋内结尾。。

☆ RISC 照料设计,可减少成本,向前推防护。RISC 机指令系统复杂,如此,该机的设计盘旋较短。;它的逻辑很复杂。,防护高。。

☆ RISC 好感编译程序法典使最优化。,编译程序更可能性选择更无效的指令和地址。。

☆ RISC 并非易事成功指令系统兼容的。从指令系统兼容的性视图,CISC 它们主要地与软件兼容的。,也执意说,高端机具表现了高档的掌握指令。,并可伸开。。但 RISC 机预先消化了指令系统,更少的指令,体式也多种多样的于旧机具。,因而变得越来越大 RISC 这台机具不克不及与旧机具兼容的。。

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