计算机组成原理-第四章--指令系统.ppt

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第四章指令系统
指令系统的发展与性能要求
指令格式
操作数类型
指令和数据的寻址方式
典型指令
ARM汇编语言
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指令系统的发展与性能要求
指令系统的发展
对指令系统性能的要求
低级语言与硬件结构的关系
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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
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指令系统的发展
发展情况
复杂指令系统计算机,简称CISC。指令系统多达二三百条。 CISC中大约有20%的指令使用频率高,占据了80%的处理机时间,而有80%的不常用指令只占用处理机的20%时间。
VLSI技术发展引起的问题
VLSI工艺要求规整性,而大量复杂指令控制逻辑极其不规整,给VLSI工艺造成了很大的困难。
现在用微程序实现复杂指令与用简单指令组成的子程序相比,没有多大的区别。因为现在控制存储器和主存的速度差缩小。
CISC中,通过增强指令系统的功能,简化了软件,增加了硬件的复杂程度。然而指令复杂了,指令的执行时间必然加长,从而使整个系统的执行时间反而增加,因而在计算机体系结构设计中,软硬件的功能分配必须恰当,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。
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。(1)选取使用频率高的简单指令,指令条数少。(2)指令条数固定,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,其他指令的操作都在寄存器之间进行。
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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。
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低级语言与硬件结构的关系
低级语言与高级语言关系
比较内容
高级语言