计算机组成原理---第四章 指令系统

一、指令系统的发展与性能要求

 

  1. 指令系统的概述

指令就是要计算机执行某种操作的命令。可分为:①微指令,属于硬件;②机器指令,简称指令,完成算术逻辑操作;③宏指令,由若干条机器指令组成,属于软件。

2. 计算机发展 

随着计算机的发展,大多数计算机的指令系统多达几百条,因此称这些计算机为复杂指令系统计算机,简称

CISC;由于最常使用的简单指令仅占指令总数的较小一部分,从而造成硬件的浪费,因此又提出一种精简指令系统计算机,简称RISC。

3.指令系统的性能要求

①完备性

②有效性

③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。

④ 兼容性

二、指令格式

Ⅰ定义:

指令格式:令字用二进制代码表示的结构形式,通常由操作码和地址码字段组成。

一条指令的结构可用如下形式来表示:

      操作码字段OP  地址码字段A

解释:

 ①操作码:指令的操作码OP表示该指令应进行何种性质的操作。每一个包含n位的操作码最多能够表示2的n次幂条指令,其通常是固定的。

②地址码:按照地址码个数来分,指令可分为4类,如图所示。计算机组成原理---第四章 指令系统_第1张图片

  其他分类:计算机组成原理---第四章 指令系统_第2张图片

 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,它决定了计算机的运算精度。①指令字长度等于机器字长度的指令,称为单字长指令;②指令字长度等于半个机器字长度的指令,称为半字长指令;③指令字长度等于两个机器字长度的指令,称为双字长指令。

④ 指令助记符

      为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。这种缩写码称为指令助记符,如:

典型的指令助记符

典型指令

指令助记符

二进制操作码

加法

ADD

001

减法

SUB

010

传送

MOV

011

跳转

JMP

100

转子

JSR

101

存数

STO

110

取数

LAD

111

经典的指令格式

(1) MIPS R4000指令

①算术指令格式

MIPS R4000 是一种RISC计算机系统,字长32位,按字节寻址。通用寄存器32个,其算术指令格式如下:          

                R型      6位          5位        5位        5位           5位                      6位  

op rs rt rd sharmt funct

 

字段解释

a.op 字段:操作码,指定一条指令的基本操作;

b.rs 字段:指定第 1 个源操作数寄存器,最多有 32 个寄存器;

c.rt 字段:指定第 2 个源操作数寄存器,最多有 32 个寄存器;

d.rd 字段:指定存放操作结果的目的数寄存器,最多有 32 个寄存器;

e.shamt 字段:移位值,用于移位指令;

f.funct 字段:函数码,指定 R 型指令的特定操作。

②  R型指令

在 MIPS 中,所有的算术运算数据必须放在通过寄存器中,此时的指令格式称为R 型(寄存器)指令。R 型指令格式就是上面所示的算术指令格式。

在 MIPS 中,访问存储器(取数或存数)需要使用数据传送指令。此时的指令格式,称为I 型(立即数)指令,其指令格式如下所示:

      I型              6位          5位        5位         16(5+ 5+6位)位  

op rs rt 常数或地址(addres)

16位字段address(地址)提供取字指令(LW)、存字指令(SW)来访问存储器的基值地址码(也称位移量)。

③ MIPS 字段值:MIPS 指令的每一字段的值(十进制)如表所示。

MIPS 指令的字段值

指令

格式

op

rs

rt

rd

shamt

funct

常数或地址

add(加)

R

0

reg

reg

reg

0

32

-

sub(减)

R

0

reg

reg

reg

0

34

-

立即数加

I

8

reg

reg

-

-

-

常数

lw(取字)

I

35

reg

reg

-

-

-

address

sw(存字)

I

43

reg

reg

-

-

-

address

      reg 表示 0~31 中间的一个寄存器号,address 表示一个 16 位地址,而“-”表示该格式中这个字段没有出现。 加法(add)指令和减法(sub)指令的 op 字段值相同;硬件是根据 funct 字段来确定操作类型: 加法(32)或减法(34)。

(2)ARM 指令

①指令格式

ARM 是字长 32 位的嵌入式处理机,它具有世界上最流行的指令集。下面是 ARM 指令集的一种指令格式:

               4位         2位    1         4               1         4           4            12

cond F I opcode S Rn Rd operand2

②字段含义

opcode:指明指令的基本操作,称为操作码;

Rd:指明目标寄存器地址(4 位),共 16 个寄存器;

Rn:指明源寄存器地址(4 位),共 16 个寄存器;

operand 2:指明第 2 个源操作数;

        I:指明立即数,如果 I=0,第 2 个源操作数在寄存器中,如果I=1,第 2 个源操作数是 12 位的立即数;

       S:设置状态,该字段涉及条件转移指令;

        cond:指明条件,该字段涉及条件转移指令;

     F:说明指令类型,当需要时该字段允许设置不同的指令。

三、操作数类型

机器指令对数据进行操作,数据通常分以下四类:

① 地址数据

② 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,一个字节用2位BCD码表示。

③字符数据:字符数据也称为文本数据或字符串,目前广泛使用ASCII码。

④逻辑数据:一个单元中有若干二进制位项组成,每个位的值可以是1或0,用以判断“真”与“假”。

 

四、指令和数据的寻址方式

  1. 概述

        Ⅰ 定义:几乎所有的计算机,在内存中都采用地址指定方式。当采用地址指定方式时,形成操作数或指令地址的方式,称为寻址方式。

          Ⅱ 分类:①指令寻址方式,这种方式相对简单②数据寻址方式,这种方式比较复杂。

在冯·诺依曼型结构的计算机中,内存中指令的寻址与数据的寻址是交替进行的,而哈佛型计算机中,指令寻址和数据寻址是独立进行的。

2.指令的寻址方式

         指令的寻址方式有两种,一种是顺序寻址方式,另一种是跳跃寻址方式。

        ❶顺序寻址方式:由于指令地址在内存中按顺序排列,执行一段程序时,通常是一条指令接一条指令的顺序进行。为此,必须使用程序计数器(又称指令指针寄存器)PC来计数指令的顺序号,该顺序号就是指令在内存中的地址。指令顺序寻址方式的示意图如图 所示。

 

 计算机组成原理---第四章 指令系统_第3张图片

       ❷ 跳跃寻址方式:跳跃是指下条指令的地址码不是由程序计数器给出,而是由本条指令给出。程序跳跃后,按新的指令地址开始顺序执行。指令跳跃寻址方式的示意图如图  所示。计算机组成原理---第四章 指令系统_第4张图片

 

3.操作数基本寻址方式

形成操作数的有限地址的方法,称为操作数的寻址方式。一种单地址指令的结构为:

操作码

  OP

寻址方式 形式地址

一般指令中操作数的获取是由寻址方式和形式地址组合而成,也可以是通用寄存器与寻址方式的组合,若没有指定寻址方式,则通用寄存器采用寄存器寻址,形式地址为直接寻址,其他情况视具体指令而定。

由于大型机、微型机和单片机结构不同,从而形成了各种不同的操作数寻址方式。比较典型而常用的寻址方式如表所示。

基本寻址方式

方式

算法

主要优点

主要缺点

隐含寻址

操作数在专用寄存器

无存储器访问

数据范围有限

立即寻址

操作数=A

无存储器访问

操作数幅值有限

直接寻址

EA=A

简单

地址范围有限

间接寻址

EA=(A)

大的地址范围

多重存储器访问

寄存器寻址

EA=R

无存储器访问

地址范围有限

寄存器间接寻址

EA=(R)

大的地址范围

额外存储器访问

偏移寻址

EA=A+(R)

灵活

复杂

段寻址

EA=A+(R)

灵活

复杂

堆栈寻址

EA=栈顶

无存储器访问

应用有限

 计算机组成原理---第四章 指令系统_第5张图片

在上面的偏移寻址中,有三种是常用的:

①相对寻址:引用的专用寄存器为程序计数器 PC,即 EA=A+(PC)

②基址寻址:引用的专用寄存器为一个含有该地址偏移量的基址寄存器

③变址寻址:引用的专用寄存器含有对该地址的正偏移量,通常称为变址寄存器

 

五、典型指令

  1. 指令的分类     

    ① 数据传送指令:主要包括取数指令、存数指令、传送指令、成组传送指令、字节交换指令、清寄存器指令、堆栈操作指令等。

    ② 算术运算指令:这类指令主要用于定点或浮点的算术运算。

   ③ 逻辑运算指令:这类指令主要用于无符号数的位操作、代码的转换、判断及运算。

   ④ 程序控制指令:程序控制指令也称转移指令。 

   ⑤ 输入输出指令

   ⑥字符串处理指令

  ⑦ 特权指令:特权指令是指具有特殊权限的指令。

  ⑧其他指令

2.基本指令系统的操作

     CISC 指令系统的指令多达二三百条,其中最常用的只占20%,因此容易造成硬件的浪费。其中基本指令如表所示。

基本指令系统的操作

指令类型

操作名称

说明

数据传送

MOV 传送

由源向目标传送字,源和目标是寄存器

STO 存数

由 CPU 向存储器传送字

LAD 取数

由存储器向 CPU 传送字

EXC 交换

源和目标交换内容

CLA 清零

传送全 0 字到目标

SET 置 1

传送全 1 字到目标

PUS 进栈

由源向堆栈顶传送字

POP 退栈

由堆栈顶向目标传送字

算术运算

ADD 加法

计算两个操作数的和

SUB 减法

计算两个操作数的差

MUL 乘法

计算两个操作数的积

DIV 除法

计算两个操作数的商

ABS 绝对值

以其绝对值替代操作数

NEG 变负

改变操作数的符号

INC 增量

操作数加 1

DEC 减量

操作数减 1

逻辑运算

AND 与

按位完成指定的逻辑操作

OR 或

NOT 求反

EOR 异或

TES 测试

测试指令的条件;根据结果设置标志

COM 比较

对两个操作数进行逻辑或算术比较;根据结果设置标志

设置控制变量

为保护目的,中断管理,时间控制等设置控制的指令

SHI 移位

左(右)移位操作数,一端引入常数

ROT 循环移

左(右)移位操作数,两端环绕

控制传递

JMP 无条件转移

无条件转移;以指定地址装入PC

JMPX 条件转移

根据测试条件,将指定地址装入PC,或什么也不做

JMPC 转子

将当前程序控制信息放到一个已知位置,转移到指定地址

RET 返回

由已知位置内容替代PC 和其他寄存器的内容

3. 精简指令系统

RISC指令系统特点有:

①选取使用频率最高的一些简单指令,指令条数少;

②指令长度固定,指令格式种类少,寻址方式种类少;

③只有取数/存数指令访问存储器,其余指令的操作都在寄存器之间进行。

六、ARM 汇编语言

      汇编语言是计算机机器语言(二进制指令代码)进行符号化的一种表示方式,每一个基本汇编语句对应一条机器指令。嵌入式处理机ARM的汇编语言如表4-5所示,其中操作数使用 16 个寄存器(r0,r1~r12,SP,Ir,PC),230个存储字(字节编址,连续的字的地址之间相差4)。

ARM汇编语言

指令

类别

指令

示例

含义

说明

算术

运算

ADD r1,r2,r3

r1=r2+r3

三寄存器操作数

SUB r1,r2,r3

r1=r2-r3

三寄存器操作数

数据传送

取数(字)至寄存器

LDR r1,[r2,#20]

r1=存储单元[r2+20]

内存单元至寄存器字传送

自寄存器存数(字)

STR r1,[r2,#20]

存储单元[r2+20]=r1

寄存器至内存单元字传送

取半字数至寄存器

LDRH r1,[r2,#20]

r1=存储单元[r2+20]

内存单元至寄存器半字传送

取半字带符号数至

寄存器

LDRHS r1,[r2,#20]

r1=存储单元[r2+20]

内存单元至寄存器半字带符

号数传送

自寄存器存半字数

STRH r1,[r2,#20]

存储单元[r2+20]=r1

寄存器至内存单元半字传送

取字节数至寄存器

LDRB r1,[r2, #20]

r1=存储单元[r2+20]

内存单元至寄存器字节传送

取字节带符号数至

寄存器

LDRBS r1,[r2,#20]

r1=存储单元[r2+20]

内存单元至寄存器字节带符

号数传送

自寄存器存字节数

STRB r1,[r2,#20]

存储单元[r2+20]=r1

寄存器至内存单元字节传送

交换

SWP r1,[r2,#20]

存储单元[r2+20]与 r1 互换

自动交换存储单元和寄存器

传送

MOV r1,r2

r1=r2

寄存器间拷贝

逻辑运算

AND r1,r2,r3

r1=r2&r3

三寄存器操作数,比特间相与

ORR r1,r2,r3

r1=r2|r3

三寄存器操作数,比特间相或

MVN r1,r2

r1=~r2

双寄存器操作数,比特取反

逻辑左移

(可选操作)

LSL r1,r2,#10

r1=r2<<10

逻辑左移,位数为常数

逻辑右移

(可选操作)

LSR r1,r2,#10

r1=r2>>10

逻辑右移,位数为常数

条件转移

比较

CMP r1,r2

条件标志=r1-r2

用于条件转移的比较操作

根据EQ,NE,LT, LE,GT,GE,LO, IS,HI,HS,VS,

VC,MI,PL 转移

BEQ 25

若(r1==r2),则转移至

PC+8+100

条件测试:相对于PC 转移

无条件转移

转移(无条件)

B 2500

转移至PC+8+10000

转移

转移并链接

BL 2500

R14=PC+4;

转移至PC+8+10000

用于子程序调用

 

你可能感兴趣的:(计算机组成原理)