微机原理第五章.ppt

第五章 指令系统(1)
概念：
指令：要求计算机执行某种操作的命令
一台计算机，其所有机器指令的集合构成机器的指令系统
CISC－Complex Instruction Set Computer，复杂指令系统计算机
RISC-Reduced Instruction Set Computer，精简指令系统计算机
RISC计算机提出的依据
RISC计算机的主要特点：
指令系统简单，均为单字长指令，只采用直接寻址和变址寻址等几种简单的寻址方式；
除取数和存数指令外，其它指令的操作均在寄存器之间进行，因此指令执行速度快；
指令系统中只包含使用频度高的简单指令，对于转移类指令均采用延时转移方式。
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第五章 指令系统(2)
一、指令格式：
机器指令由操作码和地址码构成，格式如下：
操作码(OP)
地址码(D)
1、操作码
表明本条指令要求计算机完成的操作
早期的计算机采用等长操作码，译码方便，但冗余大
现代计算机多采用不等长操作码，对缩短操作码的平均长度有好处
2、地址码
给出参加本次运算的操作数和运算结果所在的地址
根据地址码的个数，指令可分为三地址指令、二地址指令、单地址指令、零地址指令等四种格式
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第五章 指令系统(3)
说明：
三地址指令包含三个地址，其基本操作是 : (D1) OP (D2)→ D3
二地址指令包含两个地址，其基本操作是：(D1) OP (D2)→ D1或D2
单地址指令中只包含一个地址，可有两种情况：
(1) 本指令为双操作数指令，但约定一个操作数固定存放在累加器(AC)中，其基本操作是： (AC) OP (D)→ AC
(2) 本指令为单操作数指令，例如将某个地址D中的内容加1或减1等。
OP
D1
D2
D3
三地址指令
OP
D1
D2
二地址指令
OP
D
单地址指令
OP
零地址指令
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第五章 指令系统(4)
零地址指令主要完成某些控制功能，若HLT，NOP，CLA等
在上述指令格式中， D1、 D2、 D3可以是存储器中的存储单元地址，也可以是CPU中的通用寄存器或直接参加运算的立即数。
怎么减少指令的长度？
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第五章 指令系统(5)
二、指令格式的优化
指令格式的优化是在不改变指令功能、不减少指令数量的前提下，如何尽可能缩短指令字的长度。
指令由操作码和地址码构成，缩短地址码的长度可从两个方面入手：
减少地址码的个数，尽可能不用三地址指令，对于常用指令，尽可能用单地址；
参加运算的操作数暂存在CPU的内部寄存器中，使每个地址码的长度有效缩短。这正是许多机器指令系统中不允许两个操作数均在存储器中的原因。
地址码的优化比较简单、直观。
指令格式的优化主要指的是操作码的优化，其目的是缩短操作码的平均长度。
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第五章 指令系统(6)
1、哈夫曼(Huffman)压缩的概念
基本思想
如何压缩具有一定冗余量代码的长度。
以BCD码的代码压缩为例
“00～99”共100个十进制数，在计算机中可用BCD码(XXXX,XXXX)来表示而8位二进制数有256种不同的编码，可见，BCD码具有很多的冗余码点。是否可以压缩其码长，以减少冗余码点呢？
采用Huffman压缩法，将8位二进制数分别用a,b,c,d,e,f,g,h来表示，它所能表示的十进制数如下所示：
a b c d e f g h
0 0 0 0 0 0 0 0
0 0 0 1 0 0 0 1
0 0 1 0 0 0 1 0
0 0 1 1 0 0 1 1
0 1 0 0 0 1 0 0
0 1 0 1 0 1 0 1
0 1 1 0 0 1 1 0
0 1 1 1 0 1 1 1
1 0 0 0 1 0 0 0
1 0 0 1 1 0 0 1
从表中可以看出，BCD码中，各位二进制数的出现概率是不同的。在a,b,c,d中，a=0的概率为80％，而a=1的概率为20％；同样在e,f,g,h中，e=0的概率为80%，e=1的概率为20％。则：
a,e=0,0的概率为80%×80%=64%
a,e=0,1的概率为80%×20%=16%
a,e=1,0的概率为20%×80%=16%
a,e=1,1的概率为20%×20%=4%
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第五章 指令系统(7)
若将出现概率高的组合用较少的二进制位表示，将出现概率低的组合用较多的二进制位来表示，则上例的四种组合可表示成：
a,e=0,0用“0”表示
a,e=0,1用“11”表示
a,e=1,0用“100”表示
a,e=1,1用“101”表示
从表面上看，表示这四种状态的二进制尾数变长了，然而从概率的角度来计算其平均长度则缩短了