系列文章目录

第一章 计算系统概论
第二章 运算方法和运算器
第三章 多层次的存储器
第四章 指令系统
第五章 中央处理器
第六章 总线系统
第七章 外围设备
第八章 输入输出系统

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前言

第四章 指令系统

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第四章 指令系统

4.1 指令系统的发展与性能要求

4.1.1 指令系统的发展

指令系统基本概念

• 指令：就是要计算机执行某种操作的命令。从计算机组成的层次结构来说，计算机的指令有微指令、机器指令和宏指令之分。微指令是微程序级的命令，它属于硬件；
• 宏指令：由若干条机器指令组成的软件指令，它属于软件；
• 机器指令：介于微指令与宏指令之间，通常简称为指令，每一条指令可完成一个独立的算术运算或逻辑运算操作。

本章所讨论的指令，是机器指令。

• 一台计算机中所有机器指令的集合，称为这台计算机的指令系统。
• 指令系统是表征一台计算机性能的重要因素，它的格式与功能不仅直接影响到机器的硬件结构，而且也直接影响到系统软件，影响到机器的适用范围

发展情况

• 复杂指令系统计算机，简称CISC。但是如此庞大的指令系统不但使计算机的研制周期变长，难以保证正确性，不易调试维护，而且由于采用了大量使用频率很低的复杂指令而造成硬件资源浪费。例P48运算器
• 精简指令系统计算机：简称RISC，人们又提出了便于VLSI技术实现的精简指令系统计算机。

4.1.2 对指令系统性能的要求

• 完备性：
  • 完备性是指用汇编语言编写各种程序时，指令系统直接提供的指令足够使用，而不必用软件来实现。
  • 完备性要求指令系统丰富、功能齐全、使用方便。
  • 一台计算机中最基本、必不可少的指令是不多的。
  • 许多指令可用最基本的指令编程来实现。
  • 例如，乘除运算指令、浮点运算指令可直接用硬件来实现，也可用基本指令编写的程序来实现。
  • 采用硬件指令的目的是提高程序执行速度，便于用户编写程序。
• 有效性：
  • 有效性是指利用该指令系统所编写的程序能够高效率地运行。
  • 高效率主要表现在程序占据存储空间小、执行速度快。
  • 一般来说，一个功能更强、更完善的指令系统，必定有更好的有效性。
• 规整性：
  • 规整性包括指令系统的对称性、匀齐性、指令格式和数据格式的一致性。
  • 对称性是指：在指令系统中所有的寄存器和存储器单元都可同等对待，所有的指令都可使用各种寻址方式；
  • 匀齐性是指：一种操作性质的指令可以支持各种数据类型。如算术运算指令可支持字节、字、双字整数的运算，十进制数运算和单、双精度浮点数运算等
  • 指令格式和数据格式的一致性是指：指令长度和数据长度有一定的关系，以方便处理和存取。例如指令长度和数据长度通常是字节长度的整数倍
• 兼容性：
  • 系列机各机种之间具有相同的基本结构和共同的基本指令集，因而指令系统是兼容的，即各机种上基本软件可以通用。
  • 但由于不同机种推出的时间不同，在结构和性能上有差异，做到所有软件都完全兼容是不可能的，只能做到“向上兼容”，即低档机上运行的软件可以在高档机上运行。

4.1.3 低级语言与硬件结构的关系

4.2 指令格式

4.2.1 操作码

• 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。指令的操作码OP表示该指令应进行什么性质的操作，如进行加法、减法、乘法、除法、取数、存数等等。不同的指令用操作码字段的不同编码来表示，每一种编码代表一种指令。
• 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。较大的指令系统就需要更多的位数来表示每条特定的指令。
  • 等长（指令规整，译码简单）
  • 例如IBM 370机，该机字长32位，16个通用寄存器R0～R15，共有183条指令；指令的长度可以分为16位、32位和48位等几种，所有指令的操作码都是8位固定长度。
  • 固定长度编码的主要缺点是：信息的冗余极大，使程序的总长度增加。

4.2.2 地址码

• 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。三地址指令、二地址指令、单地址指令、零地址指令
  
• 三地址指令
  • 指令格式：| 操作码op | 第一操作数A1 | 第二操作数A2 | 结果A3 |
  • 功能描述：
    • (A1) op(A2)→A3
    • (PC) +1→PC（程序计数器）
  • 这种格式指令长度比较长，所以只在字长较长的大、中型机中使用，而小型、微型机中很少使用。
• 二地址指令
  • 指令格式：| 操作码op | 第一操作数A1 | 第二操作数A2 |
  • 功能描述：
    • (A1) op(A2)→A1
    • (PC)+1→PC
  • 二地址指令在计算机中得到了广泛的应用，但是在使用时必须注意：指令执行之后，A1中原存的内容已经被新的运算结果替换了。
  • 二地址地址根据操作数的物理位置分为：（快→慢）
    • SS 存储器-存储器类型
    • RS 寄存器-存储器类型
    • RR 寄存器-寄存器类型
• 一地址指令
  • 指令格式：| 操作码op | 第一操作数A1 |
  • 功能描述：
    • (AC) op(A1) →A1
    • (PC)+1→PC
  • 单操作数运算指令，如“+1”、“-1”、“求反”
  • 指令中给出一个源操作数的地址
• 零地址指令
  • 指令格式：| 操作码op |
  • “停机”、“空操作”、“清除”等控制类指令。

4.2.3 指令字长度

• 概念
  • 指令字：一条指令的机器字，简称指令
  • 指令字长度（一个指令字包含二进制代码的位数）
  • 机器字长：计算机能直接处理的二进制数据的位数。
  • 单字长指令、半字长指令、双字长指令
  • 多字长指令、等长指令、非等长指令
• 多字长指令的优缺点
  • 优点提供足够的地址位来解决访问内存任何单元的寻址问题 ；
  • 缺点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。
• 指令系统中指令采用等长指令的优点：各种指令字长度是相等的，指令字结构简单，且指令字长度是不变的 ；
• 采用非等长指令的的优点：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 。

4.2.4 指令助记符

• 由于硬件只能识别1和0，所以采用二进制操作码是必要的，但是我们用二进制来书写程序却非常麻烦。
• 为了便于书写和阅读程序，每条指令通常用3个或4个英文缩写字母来表示。这种缩写码叫做指令助记符
  • 用3～4个英文字母来表示操作码，一般为英文缩写
  • 不同的计算机系统，规定不一样
  • 必须用汇编语言翻译成二进制代码

4.2.5 指令格式举例

指令格式包括两个方面：操作码字段 地址码字段

4.3 操作数类型

4.3.1 一般的数据类型

• 地址数据：地址实际上也是一种形式的数据。
• 数值数据：计算机中普遍使用的三种类型的数值数据。
  • ①定点整数或定点小数；
  • ②浮点数；
  • ③压缩十进制数，BCD码。
• 字符数据：文本数据或字符串，目前广泛使用ASCII码。
• 逻辑数据：一个单元中有几位二进制bit项组成，每个bit的值可以是1或0。当数据以这种方式看待时，称为逻辑性数据。

4.3.2 Pentium数据类型

常规、整数、序数、未压缩的BCD、压缩的BCD、近指针、位串、字符串、浮点数

4.3.3 Power PC数据类型

无符号字节、无符号半字、有符号半字、无符号字、有符号字、无符号双字、字节串、浮点数

4.4 指令和数据的寻址方式

4.4.1 指令的寻址方式

• 顺序方式
  • PC
• 跳跃方式

4.4.2 操作数基本寻址方式

• 形成操作数有效地址的方法，称为寻址方式。例如，一种单地址指令的结构如下：操作码OP、变址X、间址I、形式地址A
• 变址和间址称为寻址方式特征位。
  

4.4.3 寻址方式举例

4.5 典型指令

4.5.1 指令的分类

4.5.2 基本指令系统的操作

4.5.3 精简指令系统

4.6 ARM汇编语言

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总结

• 一台计算机中所有机器指令的集合，称为这台计算机的指令系统。指令系统是表征一台计算机性能的重要因素，它的格式与功能不仅直接影响到机器的硬件结构，而且也影响到系统软件。指令格式是指令字用二进制代码表示的结构形式，通常由操作码字段和地址码字段组成。
• 操作码字段表征指令的操作特性与功能，而地址码字段指示操作数的地址。目前多采用二地址、单地址、零地址混合方式的指令格式。指令字长度分为：单字长、半字长、双字长三种形式。高档微机采用32位长度的单字长形式。
• 形成指令地址的方式，称为指令寻址方式。有顺序寻址和跳跃寻址两种，由指令计数器来跟踪。形成操作数地址的方式，称为数据寻址方式。操作数可放在专用寄存器、通用寄存器、内存和指令中。数据寻址方式有隐含寻址、立即寻址、直接寻址、间接寻址、寄存器寻址、寄存器间接寻址、相对寻址、基值寻址、变址寻址、块寻址、段寻址等多种。按操作数的物理位置不同，有RR型和RS型。前者比后者执行的速度快。
• 形成指令地址的方式，称为指令寻址方式。有顺序寻址和跳跃寻址两种，由指令计数器来跟踪。形成操作数地址的方式，称为数据寻址方式。操作数可放在专用寄存器、通用寄存器、内存和指令中。数据寻址方式有隐含寻址、立即寻址、直接寻址、间接寻址、寄存器寻址、寄存器间接寻址、相对寻址、基值寻址、变址寻址、块寻址、段寻址等多种。按操作数的物理位置不同，有RR型和RS型。前者比后者执行的速度快。
• 汇编语言与具体机器的依赖性很强。为了解该语言的特点，列出了目前流行的嵌入式处理机ARM的汇编语言。