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计算机组成原理·指令系统

时间:2024-03-06 21:00:01浏览次数:25  
标签:寻址 指令系统 计算机 EA 操作数 地址 指令 寄存器 原理

指令系统

指令系统

是指令集体系结构ISA的核心
ISA主要包括:

  • 指令格式
  • 数据类型及格式
  • 操作数的存放方式
  • 程序可访问的寄存器个数、位数和编号
  • 存储空间大小和编址方式
  • 寻址方式
  • 指令执行过程的控制方式等

指令的基本格式

一条指令包括操作码和地址码字段

操作码 地址码

操作码:

  • 指出指令应执行的操作
  • 识别指令
  • 了解指令功能
  • 区分操作数地址内容的组成和使用方法

地址码:

  • 给出被操作的信息的地址
  • 参加运算的一个或多个操作数所在的地址
  • 运算结果的保存地址
  • 程序的转移地址
  • 被调用的子程序的入口地址等

指令长度是指一条指令中包含的二进制代码的位数
指令字长取决于

  • 操作码的长度
  • 操作数地址码的长度
  • 操作数地址个数

单字长指令:等于机器字长
半字长指令:一半机器字长
双字长指令:二倍机器字长
定长指令字结构:一个指令系统所有指令的长度都是相等的

零地址指令:无显示地址

OP
  • 不需要操作数的指令
  • 零地址运算指令仅用于堆栈计算机,通常参与运算的两个操作数隐含的从栈顶和次栈顶弹出,送至运算器,运算结果再隐含的压入堆栈

一地址指令:

OP \(A_1\)

OP(\(A_1\)) \(\to\) \(A_1\)

  • 只有目的操作数,按\(A_1\)地址读取操作数,进行OP操作后,结果存回原地址

(ACC)OP(\(A_1\)) \(\to\) ACC

  • 隐含约定目的地址的双操作数指令,按指令地址\(A_1\)地址读取操作数,指令可隐含约定另一个操作数由ACC提供,运算结果也将存放在ACC中
  • 若指令长度为32位,操作码占8位,1个地址码字段占24位,指令操作数直接寻址范围\(2^{24}=16M\)

二地址指令

OP \(A_1\) \(A_2\)

(\(A_1\))OP(\(A_2\)) \(\to\) \(A_1\)

  • 常用的算术和逻辑运算指令,需要两个操作数,需要分别给出目的操作数和源操作数,其中目的操作数地址还用于存放本次运算结果
  • 指令字长位32位,操作码占8位,两个地址码各占12位,则指令操作数的直接寻址范围\(2^{12}=4K\)

三地址指令

OP \(A_1\) \(A_2\) \(A_3\)(结果)

(\(A_1\))OP(\(A_2\)) \(\to\) \(A_3\)

  • 指令字长位32位,操作码占8位,3个地址码各占8位,直接寻址范围\(2^8=256\),地址字段为主存地址,则完成一条三地址需要4次访存,取指令1次,取两个操作数2次,存放结果1次

四地址指令

OP \(A_1\) \(A_2\) \(A_3\) \(A_4\)

(\(A_1\))OP(\(A_2\)) \(\to\) \(A_3\) ,\(A_4\) = 下一条执行指令的地址

  • 地址字长为32位,操作码占8位,4个地址码各占6位,直接寻址范围\(2^6=64\)

定长操作码指令格式

在指令字的最高位部分分配固定的若干位(定长)表示操作码。
n位操作码字段的指令系统最大能表示\(2^{n}\)条指令

扩展操作码指令格式

  • 不允许短码是长码的前缀
  • 各指令的操作码一定不能重复
0000 0001 0010 0011
0100 0101 0110 0111
1000 1001 1010 1011
1100 1101 1110 1111
操作码情况 OP \(A_1\) \(A_2\) \(A_3\) 说明
15条三地址 0000-1110 余出16-15=1,1*2^4=16种
12条二地址 1111 0000-1011 余出16-12=4,4*2^4=64种
62条一地址 1111 (1100-1110)/1111 (0000-1111)/(0000-1101) 余出64-62=2,2*2^4=32种
32条零地址 1111 1111 1110-1111 0000-1111

指令的操作类型

  • 数据传送
  • 算术和逻辑运算
  • 移位
  • 转移
  • 输入输出

指令寻址方式

确定本条指令的数据地址以及下一条待执行指令的地址,分为:

  • 指令寻址:寻找下条要执行的指令
    (1)顺序寻址
    通过PC+(1),自动形成下一条指令
    (2)跳跃寻址
    通过转移指令实现,下条指令的地址不由PC自动给出,而由本条指令给出下条指令地址的计算方式。是否可跳跃受到状态寄存器和操作数的控制,跳跃的结果是当前指令修改PC值,下一条指令仍通过PC给出

  • 数据寻址:寻找本条指令的数据
    通常在指令字中设一个字段指明寻址方式

    操作码 寻址特征 形式地址A

常见数据寻址方式

隐含寻址

不明显的给出操作数,在指令中隐含操作数地址

  • 优:有利于缩短指令字长
  • 缺:需要增加存储操作数或隐含地址的硬件

立即(数)寻址

指令的地址字段指出的不是操作数地址,而是操作数本身,又称立即数,#表示立即寻址特征,使用补码表示

  • 优:指令在执行阶段不访问主存,指令执行时间最短
  • 缺:A的位数限制立即数的范围

直接寻址

指令中的形式地址A是操作数的真实地址EA,EA=A

  • 优:简单,访存1次,不需要专门计算操作数的地址
  • 缺:A的位数决定了指令操作数的寻址范围,操作数的地址不易修改

间接寻址

指令的地址字段给出的形式地址不是操作数的真正地址,而是操作数有效地址的存储单元地址,EA=(A),间接寻址可以迭代多次
间接寻址,主存第一位表示是否为多次间址

  • 优:可扩大寻址范围(有效地址EA的位数大于形式地址A的位数),便于编制程序(用间址寻址可方便的完成子程序返回)
  • 缺:访问速度慢

寄存器寻址

指令字中直接给出操作数所在的寄存器编号EA= \(R_i\),操作数在由\(R_i\)所指的寄存器内

  • 优:指令执行阶段不访存,只访问寄存器,寄存器对应地址码长度较小,使得指令字短且因不用访存,所以执行速度快,支持向量/矩阵运算
  • 缺:寄存器昂贵,有限

寄存器间接寻址

寄存器\(R_i\)中给出的不是一个操作数,而是操作数所在主存单元的地址EA=(\(R_i\))

  • 优:与一般间址寻址速度快
  • 缺:需要访存

相对寻址

PC的内容加上指令格式的形式地址A而形成操作数的有效地址EA=(PC)+A,A是相对于当前PC的值的位移量,可正可负,用补码表示,A的位数决定寻址范围

  • 操作数的地址是不固定的,随PC的值变化而变化,且与指令地址之间相差一个固定值,便于程序浮动,广泛用于转移指令
  • JMP A,CPU从存储器取出一字节,自动执行(PC)+1 \(\to\) PC,若转移指令的地址为X,且占2B,取出该指令后,PC自增2,(PC)=X+2,执行完该指令,会自动跳转至X+2+A的地址继续执行

基址寻址

将CPU的基址寄存器BR的内容加上指令格式的形式地址A形成操作数的有效地址EA=(BR)+A,基址寄存器可采用专用寄存器也可为通用寄存器

  • 基址寄存器面向操作系统,内容通过操作系统或管理程序确定,主要用于解决程序逻辑空间与存储器物理空间的无关性

  • 执行过程中基址寄存器内容不变,形式地址可变(偏移量)

  • 采用通用寄存器作为基址寄存器,用户可决定使用哪个寄存器,内容由操作系统确定

  • 优:可扩大寻址范围(基址寄存器位数大于形式地址A的位数),用户不必考虑自己的程序存于主存哪个区域,有利于多道程序设计,可用于制成浮动程序

  • 缺:偏移量位数较短

变址寻址

有效地址EA等于指令字中的形式地址A与变址寄存器IX的内容之和,EA=(IX)+A

  • IX可使用专用寄存器或通用寄存器
  • 变址寄存器面向用户,在程序执行过程,变址寄存器内容可由用户改变(作为偏移量),形式地址A不变(作为基地址)
  • 可扩大寻址范围(变址寄存器位数大于形式地址A的位数),适合编制循环程序,偏移量的位数(IX)足以表示整个存储空间

堆栈寻址

堆栈是存储器(或专用寄存器组)中一块特定的、按照后进先出(LIFO)的原则管理的存储区,存储区读写单元地址是用一个特定寄存器给出的称为堆栈指针(SP),分为硬堆栈(不适合做大容量堆栈)和软堆栈(主存划出一段区域)

寻址方式 有效地址 访存次数
隐含寻址 程序指定 0
立即寻址 A是操作数 0
直接寻址 EA=A 1
一次间接寻址 EA=(A) 2
寄存器寻址 EA= \(R_i\) 0
寄存器间接一次寻址 EA = (\(R_i\)) 1
相对寻址 EA=(PC)+A 1
基址寻址 EA=(BR)+A 1
变址寻址 EA=(IX)+A 1

标签:寻址,指令系统,计算机,EA,操作数,地址,指令,寄存器,原理
From: https://www.cnblogs.com/thr3ad/p/18057541

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