《计算机组成原理》课程电子教案（PPT课件讲稿）第4章 指令系统

第章指令系统 冬冬冬 第4章指令系统 41指令系统的发展与性能要求 42指令格式 43指令和数据的寻址方式 44典型指令 45CISC和RISC 本章小结 习题4 BACK

第 章 指 令 系 统 第4章 指 令 系 统 4.1 指令系统的发展与性能要求 4.2 指令格式 4.3 指令和数据的寻址方式 4.4 典型指令 4.5 CISC和RISC 本章小结 习题4

第4}章>指令系统 冬冬冬 41指令系统的发展与性能要求 411指令系统的发展 计算机系统主要由硬件和软件两部分组成。软件是为计 算机编写的各种程序。所谓程序,是指能完成一定功能的指 令序列。而指令则是要求计算机执行某种操作的命令,是计 算机硬件能够直接识别和执行的二进制机器指令,简称机器 指令。从计算机组成的角度来讲,指令可认为是软件与硬件 的接口。一台计算机中所有机器指令的集合,构成了该计算 机的指令系统

第 章 指 令 系 统 4.1 4.1.1 计算机系统主要由硬件和软件两部分组成。 软件是为计 算机编写的各种程序。 所谓程序，是指能完成一定功能的指 令序列。而指令则是要求计算机执行某种操作的命令， 是计 算机硬件能够直接识别和执行的二进制机器指令，简称机器 指令。 从计算机组成的角度来讲，指令可认为是软件与硬件 的接口。一台计算机中所有机器指令的集合， 构成了该计算 机的指令系统

第4}章>指令系统 冬冬冬 随着微电子技术的发展,计算机硬件功能不断增强,指 令系统也越来越丰富,甚至廉价的微处理器都设置了乘除运 算指令和十进制运算指令。有的微处理器还设置了浮点运算、 字符串处理指令等,使得指令系统中指令的数目多达数百条, 寻址方式也趋于多样化。 随着集成电路的发展和计算机应用领域的不断扩大,计 算机软件的价格相对不断提高。 为了在新研制的计算机上继承现有的软件,减少软件的 开发费用,在20世纪60年代出现了系列计算机

第 章 指 令 系 统 随着微电子技术的发展， 计算机硬件功能不断增强， 指 令系统也越来越丰富， 甚至廉价的微处理器都设置了乘除运 算指令和十进制运算指令。 有的微处理器还设置了浮点运算、 字符串处理指令等， 使得指令系统中指令的数目多达数百条， 寻址方式也趋于多样化。 随着集成电路的发展和计算机应用领域的不断扩大， 计 算机软件的价格相对不断提高。 为了在新研制的计算机上继承现有的软件， 减少软件的 开发费用， 在20世纪60年代出现了系列计算机

第4}章>指令系统 冬冬冬 系列计算机是指具有相同的基本指令系统和基本体系结 构,但具有不同组成和实现的一系列不同型号的机器。典型 的系列机有 Intel公司的x86系列机、 Motorola公司的M68x0 和M68X0系列机、DEC公司的Apha系列机、SGI公司的 MIPS系列机、IBM公司的 PowerPC系列机和SUN公司的 SPARO系列机等。 为了使计算机系统具有更强的功能、更高的性能和更好 的性能价格比,以满足广泛的或专门的应用需要,在机器指 令系统的设计、发展和改进上有两种不同的途径和方向

第 章 指 令 系 统 系列计算机是指具有相同的基本指令系统和基本体系结 构， 但具有不同组成和实现的一系列不同型号的机器。 典型 的系列机有Intel公司的x86系列机、 Motorola公司的M68x0 和M680x0系列机、 DEC公司的Alpha系列机、 SGI公司的 MIPS系列机、 IBM公司的PowerPC系列机和SUN公司的 SPARC系列机等。 为了使计算机系统具有更强的功能、 更高的性能和更好 的性能价格比， 以满足广泛的或专门的应用需要， 在机器指 令系统的设计、 发展和改进上有两种不同的途径和方向

第4}章>指令系统 冬冬冬 种途径和方向是如何进一步增强原有指令的功能以及 设置更为复杂的新指令来取代原先由软件子程序完成的功能, 实现软件功能的硬化。按照这种途径和方向来发展,机器的 指令系统越来越庞大和复杂,采用这种途径设计成CPU的计 算机为复杂指令系统计算机( Complex Instruction Set Computer, CISC)。另一种途径和方向是如何通过减少指令总数和简化 指令的功能来降低硬件设计的复杂度,提高指令的执行速度。 按照这种途径和方向发展,机器的指令系统精炼简单,采用 这种途径设计成CPU的计算机为精简指令系统计算机 ( Reduced Instruction Set Computer,RISC)。有关CISC和 RISC的详细内容将在本章45节中介绍

第 章 指 令 系 统 一种途径和方向是如何进一步增强原有指令的功能以及 设置更为复杂的新指令来取代原先由软件子程序完成的功能， 实现软件功能的硬化。 按照这种途径和方向来发展， 机器的 指令系统越来越庞大和复杂， 采用这种途径设计成CPU的计 算机为复杂指令系统计算机（Complex Instruction Set Computer， CISC）。 另一种途径和方向是如何通过减少指令总数和简化 指令的功能来降低硬件设计的复杂度， 提高指令的执行速度。 按照这种途径和方向发展，机器的指令系统精炼简单， 采用 这种途径设计成CPU的计算机为精简指令系统计算机 （Reduced Instruction Set Computer， RISC）。 有关CISC和 RISC的详细内容将在本章4.5节中介绍

第章指令系统 冬冬冬 412对指令系统性能的要求 计算机的性能与它所设置的指令系统有很大的关系,它 不仅与计算机的硬件结构密切相关,而且还会直接影响到用 户程序和编译程序的编制及运行效率等。通常性能较好的计 算机所设置的指令系统应满足如下四个方面的要求

第 章 指 令 系 统 4.1.2 计算机的性能与它所设置的指令系统有很大的关系， 它 不仅与计算机的硬件结构密切相关， 而且还会直接影响到用 户程序和编译程序的编制及运行效率等。 通常性能较好的计 算机所设置的指令系统应满足如下四个方面的要求

第4}章>指令系统 冬冬冬 1.完备性 完备性要求指令系统包含的指令丰富、功能齐全、使用 方便,使得在用汇编语言编写程序时,指令系统直接提供的 指令足够使用,而不必用软件来实现。例如,比较转移指令 可直接用硬件来实现,也可以用基本指令编写的程序来实现。 采用硬件指令的目的是为了简化程序设计,提高执行的速度, 但增加了CPU内部结构设计和编译程序设计的复杂度

第 章 指 令 系 统 1. 完备性要求指令系统包含的指令丰富、 功能齐全、 使用 方便， 使得在用汇编语言编写程序时， 指令系统直接提供的 指令足够使用， 而不必用软件来实现。 例如， 比较转移指令 可直接用硬件来实现， 也可以用基本指令编写的程序来实现。 采用硬件指令的目的是为了简化程序设计， 提高执行的速度， 但增加了CPU内部结构设计和编译程序设计的复杂度

第章指令系统 冬冬冬 2.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,主要表现为程序占用的存储空间小、执行的速度快。 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。 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

第 章 指 令 系 统 2. 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， 主要表现为程序占用的存储空间小、 执行的速度快。 3. 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

第4}章>指令系统 冬冬冬 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、双字的运算等。 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 定的关系,以方便处理和存取,如指令长度和数据长度通 常是字节长度的整数倍 4.兼容性 兼容性主要表现在两个方面,一个是同一公司生产的系 列机具有软件兼容性,另一个是不同公司的不同硬件结构的 机器具有软件兼容性

第 章 指 令 系 统 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、 双字的运算等。 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， 如指令长度和数据长度通 常是字节长度的整数倍。 4. 兼容性主要表现在两个方面， 一个是同一公司生产的系 列机具有软件兼容性， 另一个是不同公司的不同硬件结构的 机器具有软件兼容性

第4}章>指令系统 冬冬冬 向后兼容是指在某个时期投入市场的该型号机器上编制的 软件,不加修改就能运行于在它之后投入市场的机器上。 而兼容机则是指不同厂家生产的具有同一体系结构的计算 机,或者具有与原装机(有版权厂家的系列机产品)软件兼 容的非版权厂家的产品。对于兼容机,一般要求做到向上向 后兼容。兼容机在外形、功能、价格上与原装机可能有很大 差别,但体系结构相同,可运行原装机的软件

第 章 指 令 系 统 向后兼容是指在某个时期投入市场的该型号机器上编制的 软件， 不加修改就能运行于在它之后投入市场的机器上。 而兼容机则是指不同厂家生产的具有同一体系结构的计算 机， 或者具有与原装机（有版权厂家的系列机产品）软件兼 容的非版权厂家的产品。 对于兼容机， 一般要求做到向上向 后兼容。 兼容机在外形、 功能、 价格上与原装机可能有很大 差别， 但体系结构相同， 可运行原装机的软件