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  • 指令系统
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    2021-07-17 06:25:46

    指令系统指的是计算机所能执行的全部指令的集合,它描述了计算机内全部的控制信息和“逻辑判断”能力。它是软件和硬件的主要界面,反映了计算机所拥有的基本功能。

    指令系统名词解释

    指令系统就是计算机硬件的语言系统,也叫机器语言,指的是机器所具有的全部指令的集合,它是软件和硬件的主要界面,反映了计算机所拥有的基本功能。从系统结构的角度看,它是系统程序员看到的计算机的主要属性。因此指令系统表征了计算机的基本功能决定了机器所要求的能力,也决定了指令的格式和机器的结构。

    指令系统是指计算机所能执行的全部指令的集合,它描述了计算机内全部的控制信息和“逻辑判断”能力。不同计算机的指令系统包含的指令种类和数目也不同。其中包含了算术运算型、逻辑运算型、数据传送型、判定和控制型、移位操作型、位(位串)操作型、输入和输出型等指令。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。

    一条指令就是机器语言的一个语句,它是一组有意义的二进制代码,指令的基本格式如:操作码字段+地址码字段,其中操作码指明了指令的操作性质及功能,地址码则给出了操作数或操作数的地址。

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    指令系统一:指令系统的发展与性能要求1、指令系统及其发展2、指令系统性能的要求3、常见的指令集二:指令格式1、指令字长度2、操作码 一:指令系统的发展与性能要求 1、指令系统及其发展 一台计算机中所有机器指令...

    一:指令系统的发展与性能要求

    1、指令系统及其发展

    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(指令集)。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影响到机器的硬件结构,而且影响到系统软件。因为指令是设计一台计算机的硬件与低层软件的接口。
    在这里插入图片描述

    2、指令系统性能的要求

    指令系统的性能决定了计算机的基本功能,它的设计直接关系到计算机的硬件结构和用户的需要。

    一个完善的指令系统应满足如下四方面的要求:
    完备性:用指令系统编写各种程序时,指令系统直接提供的指令足够使用,而不必用软件来实现。

    有效性:利用该指令系统所编写的程序能够在计算机上高效率运行,主要表现在程序占据存储空间小、执行速度快。

    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。

    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,低档机上运行的软件可以在高档机上运行,即做到 “向下兼容” 。

    3、常见的指令集

    x86 指令集(复杂指令集

    ARM 指令集(精简指令集

    MIPX指令集(复杂指令集):在1990年代是比较先进的一个指令集,当时就能够支持 64位 的计算机系统,但是由于市场没做好,基本破产。现在只有中科院在做,基本上已经成为我们自己的具有独立自主知识产权的一款指令集。

    risc - V指令集(复杂指令集

    二:指令格式

    1、指令字长度

    指令字长度:一个指令字中包含二进制代码的位数。
    机器字长: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。(64位操作系统、32位操作系统)。

    单字长指令:指令字长等于机器字长度的指令。
    半字长指令:指令字长等于半个机器字长度的指令。
    双字长指令:指令字长等于两个机器字长度的指令。
    多字长指令:指令字长等于几个机器字长度的指令。

    使用多字长指令,目的在于提供足够的地址位来解决访问内存任何单元的寻址问题。其主要缺点是必须两次或多次访问内存才能取出一整条指令,降低了的运算速度,又占用了更多的存储空间。

    2、操作码

    设计计算机时,对指令系统的每一条指令都要规定一个操作码。

    指令的操作码 OP 表示该指令应进行什么性质的操作,如进行加法、减法、乘法、除法、取数、存数等。不同的指令用操作码字段的不同编码来表示,每一种编码代表一 种指令。例如,操作码 001 可以规定为加法操作;操作码 010 可以规定为减法操作;而操作码 110 可以规定为取数操作等。CPU中的专门电路用来解释每个操作码,因此机器就能执行操作码所表示的操作。

    按操作码的位数是否固定可分为:
    固定长度的操作码:所有指令长度均相同。特点是控制简单,速度
    快,适用于指令条数不多的场合。

    可变长度的操作码:频繁使用的指令用位数较少的操作码,不常使
    用的指令可利用操作码扩展技术进行扩展。

    精简指令集一般使用固定长度的操作码,复杂指令集一般使用可变长度的操作码。

    指令助记符:
    在这里插入图片描述

    3、地址码

    地址码其实还是地址,CPU 访问存储器获取地址,那么这个地址究竟是出自哪里呢?其实归根结底是由程序员设计的指令集给出的。

    根据一条指令中有几个操作数地址,可将该指令称为几操作数指令或几地址指令。三地址指令是最早的计算机指令,然后又发展成二地址指令、一地址指令、零地址指令。

    三地址指令

    一般的操作数有被操作数操作数操作结果这三种数,因而就形成了三地址指令格式。
    在这里插入图片描述
    其中操作数A1、A2、A3可以是内存单元的地址,也可以是运算器中通用寄存器的地址,如果三地址指令中A1、A2、A3都是内存单元,则指令需要4次访问存储器,存储器的寻址范围28 = 256。为了提高指令执行的速度和扩大寻址范围出现了两地址指令和一地址指令。

    二地址指令

    二地址指令常称为双操作数指令,它的两个地址码字段分别指明参与操作的两个数在内存中或运算器中通用寄存器的地址,A1作存放操作结果的地址,称为目的操作数(D),A2称为源操作数(S)。
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述
    举例:
    ADD R0,R3(RR型)
    ADD R0,100H(RS型)

    ADD 100H,200H(SS型),一般不会采用,因为访问内存的次数太多,影响效率
    转换:
    MOV R0,200H
    ADD 100H,R0

    一地址指令

    一地址指令常称为单操作数指令。通常这种指令以运算器中累加寄存器 AC 中的数据为被操作数,指令字的地址码字段所指明的数为操作数,操作结果又放回累加寄存器 AC 中。(AC:通用寄存器中的第一个R0
    在这里插入图片描述

    零地址指令

    零地址指令的指令字中只有操作码,而没有地址码。例如停机指令就不需要地址码。因为停机指令不需要操作数。
    在这里插入图片描述

    三:指令和数据的寻址方式

    1、指令寻址

    顺序寻址

    由于指令在内存中是顺序存放,当执行一段程序时,通常是一条指令接一条指令的顺序执行。为了能够指示下一条欲执行指令的指令地址,CPU内部有
    一个程序计数器 PC (指令指针寄存器IP),每执行一条指令其值自动加1,指向下一条欲执行指令的指令地址。这种程序顺序执行的过程我们称为指令的顺序寻址。PC 就是用来做指令追踪

    跳跃寻址方式

    当程序执行循环指令或者转移指令时,指令的寻址就采取跳跃寻址方式。所谓跳跃,是指下条指令的地址不是由程序计数器PC加1产生,而是将本条指令给出的目标地址装入PC作为下条指令的地址。
    在这里插入图片描述

    2、操作数寻址

    在这里插入图片描述
    形式地址是指令字中的地址,有效地址是操作数的内存地址。寻址过程就是通过寻址特征位把操作数的形式地址,变换为有效地址的过程。

    立即寻址

    地址码部分的形式地址 A就是操作数D,而不是操作数的地址
    在这里插入图片描述
    寻址特征位:#
    例:mov R0,#10H
    把二进制数10直接取出到R0

    直接寻址

    直接内存寻址特点是:在指令格式的形式地址 A 中直接指出操作数的有效地址EA。由于操作数地址直接给出而不需要变换,称为直接寻址方式。在这里插入图片描述
    寻址特征位:无
    例:mov R0,10H
    把内存编号为 10 里的内容取出到R0中。

    间接寻址(基本不采用,效率太低)

    间接寻址的情况下,指令地址字段中的形式地址A不是操作数的有效地
    址EA,A单元的内容才是操作数的有效地址EA。虽然可以扩大寻址范围,但是需要至少访问 2 次内存。效率低下。
    在这里插入图片描述

    寄存器寻址

    当操作数不放在内存中,而是放在CPU的通用寄存器中时,可采用寄存器寻址方式。此时指令中给出的操作数地址不是内存的地址单元号,而是通用寄存器的编号。

    优点:执行阶段只访问寄存器,执行速度快。寄存器的个数有限,所以指令 的字长一般都很短。
    在这里插入图片描述
    寻址特征位:Ri
    例:mov R0,R1
    把寄存器R1中的内容取出到R0

    寄存器间接寻址

    寄存器间接寻址方式与寄存器寻址方式的区别在于:指令中的操作数地址指示出的寄存器中内容不是操作数,而是操作数的有效地址EA。
    便于编制循环程序
    在这里插入图片描述
    寻址特征位:@或()
    例:mov R0,@R1 或 mov R0,(R1

    立即寻址、直接寻址、寄存器寻址、寄存器间接寻址这四种寻址方式基本上在所有的指令集架构中都兼容。这四种是最基本的寻址方式。

    那么存在这么多的寻址方式究竟有什么意义呢?

    这就相当于是一个语法问题。因为计算机可能都采用不同的指令集架构,x86、ARM,那么它们所支持的寻址方式都会有所不同。CPU在操作内存,读取数据时采用的都是本机的一套寻址方式。

    例题

    下面结合上述四种最基本的寻址方式列出一些操作数寻址的例题:

    首先我们要知道一个原则。在汇编语言中,和一些高级语言不同的是,我们首先考虑的不是定义变量的问题。而是要考虑要使用多少个寄存器来解决这个问题
    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

    偏移寻址

    寻址特征位:+
    例:mov R0,@(BR + 100H)

    1、相对寻址方式
    相对寻址是把程序计数器PC的内容加上形式地址A形成操作数的有效地址。程序计数器的内容就是当前指令的地址.形式地址A通常称为偏移量。
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    2、基址寻址方式

    基址寻址方式是将CPU中基址寄存器的内容加上指令格式中的形式地址A而形成操作数的有效地址EA。
    在这里插入图片描述
    它的优点是可以扩大寻址能力。同形式地址相比,基址寄存器的位数可以设置得很长,从而可以在较大的存储空间中寻址。在程序的执行过程中BR内容不变,由操作系统指定,形式地址A可变。

    3、变址寻址方式
    变址寻址方式与基址寻址方式计算有效地址的方法十分相似,它把CPU中某个变址寄存器的内容与形式地址A相加来形成操作数有效地址。
    在这里插入图片描述

    堆栈寻址

    在这里插入图片描述

    四:例题

    例:某16位机器所使用的指令格式和寻址方式如下所示,该机有两个20位
    基址寄存器,四个16位变址寄存器,十六个16位通用寄存器,指令汇编格
    式中的S和D都是指通用寄存器,M指主存中的一个单元。三种指令的操作码
    分别是MOV为0AH ,LAD为3CH,STO为1BH 。
    说明:MOV是传送指令,LAD为读数指令,STO为写数指令。

    (1)分析三种指令的指令格式与寻址方式特点。
    在这里插入图片描述
    该指令是单字长二地址指令,是寄存器-寄存器型,源寄存器S由0~3位指定,目标寄存器D由4~7位指定。
    在这里插入图片描述
    该指令是双字长二地址指令,寄存器—存储器型,其中目标寄存器D由4~7
    位指定,存储器由指令中给出的20位地址由直接内存寻址决定。
    在这里插入图片描述
    该指令是双字长二地址指令,是寄存器—存储器型,源寄存器S由4~7位指
    定,存储器M由采用0~3位指定的变址寄存器加位移量的变址方式得到或者
    由8~9位指定的基址寄存器加位移量的基址寻址得到。

    (2)CPU完成哪一种操作所花时间最短?哪一种操作所花时间最长?第二
    种指令的执行时间有时会等于第三种指令的执行时间吗?
    • CPU完成第一种指令所花时间最短,因为是RR型指令,不需要访问存储器

    • CPU完成第三种指令所花时间最长,因为是RS型指令需要访问存储器,同
    时要进行寻址方式的变换运算,基址寄存器的内容加位移量或变址寄存器
    内容加位移量,这也需要时间。

    (3)下列情况下每个十六进制指令字分别代表什么操作?其中如果有编码
    不正确,如何改正才能成为合法指令?
    在这里插入图片描述
    6FD6H
    在这里插入图片描述

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  • 指令系统

    千次阅读 2019-05-16 21:39:00
    指令格式 操作码字段(OP)+地址码字段(A) 操作码 表示操作性质,可扩展 一般来说,一个包含n位的操作码最多能够表示 2^n 条指令 地址码 寄存器编号+寻址方式 根据一条指令中有几个操作数地址,可将该指令...

    指令格式
    操作码字段(OP)+地址码字段(A)

    操作码
    表示操作性质,可扩展
    一般来说,一个包含n位的操作码最多能够表示 2^n 条指令

    地址码
    寄存器编号+寻址方式
    根据一条指令中有几个操作数地址,可将该指令称为几操作数指令或几地址指令
    有零地址指令、一地址指令、二地址指令和三地址指令

    1. 零地址指令:(关机指令)
      格式:OPCODE - 操作码
      指令中只有操作码,而没有地址码
    2. 一地址指令:(取反)
      格式:【 OPCODE | A 】
      A:操作数的存储器地址或寄存器编号。A即可以是操作数地址,又是操作结果的存储地址
    3. 二地址指令:add r1 r2
      格式:【 OPCODE | A1A1 | A2A2 】
      OPCODE – 操作码
      A1A1:第一个操作数的存储器地址或寄存器地址
      A2A2:第二个操作数的存储器地址或寄存器地址
    4. 三地址指令
      指令:【 OPCODE | A1A1 | A2A2 | A3A3 】
      A1A1:第一个操作数的存储器地址或寄存器地址
      A2A2:第二个操作数的存储器地址或寄存器地址
      A3A3:操作结果的存储器地址或寄存器地址

    操作码定长指令的格式

    • 指令字长决定于三个部分:
      操作码长度:f
      操作数地址的长度:n
      操作地址的个数:m
    • 指令字长固定
      若操作码长度为k位,则最多能有2k2k条不同指令
      指令字长 = 存储字长
    • 指令字长可变
      按字节的倍数变化

    典型指令

    • MOV 传送
    • 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
    • SET 置1
    • PUS 进栈
    • POP 退栈
    • ADD、SUB、MUL、DIV、ABS、NEG(变负)、INC(增量,操作数加1)、DEC(减量,操作数减一)
    • AND、OR、NOT、EOR(异或)、TES(测试)、COM(比较)、SHI(移位)、ROT(循环移)
    • JMP、JMPX(条件转移)、JMPC(转子)、RET(返回)

    题目中描述的计算机,其部分指令执行过程的控制信号如下图所示。
    在这里插入图片描述

    题图a 部分指令控制信号
    该机指令格式如下图所示,支持寄存器直接和寄存器间接两种寻址方式,寻址方式位分别为0 和 1,寄存器R0~R3 的编号分别为 0、1、2 和 3。
    在这里插入图片描述
    题图b 指令格式
    请回答下列问题。
    1)该机的指令系统最多可定义多少条指令?
    2)假定 inc、shl 和 sub 指令的操作码分别为 01H、02H 和 03H,则以下指令对应的机器代码 各是什么?
    ① inc R1 ; R1 + 1→R1
    ② shl R2,R1 ; (R1) << 1→R2
    ③ sub R3, (R1),R2 ; ((R1)) – (R2) → R3
    3)假设寄存器 X 的输入和输出控制信号分别为 Xin 和 Xout,其值为 1 表示有效,为 0 表示无效(例如,PCout=1 表示 PC 内容送总线);存储器控制信号为 MEMop,用于控制存储器的读(read)和写(write)操作。写出题图 a 中标号①~⑧处的控制信号或控制信号的取值。
    4)指令“sub R1,R3,(R2)”和“inc R1”的执行阶段至少各需要多少个时钟周期?

    解答:
    1 )指令操作码有 7 位,因此最多可定义 27=128 条指令。
    2 )各条指令的机器代码分别如下:
    ① “ inc R1 ”的机器码为: 0000001 0 01 0 00 0 00 ,即 0240H 。
    ②“ shl R2 , R1 ”的机器码为: 0000010 0 10 0 01 0 00 ,即 0488H 。
    ③“ sub R3 , (R1),R2 ”的机器码为: 0000011 0 11 1 01 0 10 ,即 06EAH 。
    3 )各标号处的控制信号或控制信号取值如下:
    ①0;②mov;③mova;④left;⑤read;⑥sub;⑦mov;⑧Srout。
    【评分说明】答对两个给分。
    4 )指令“ sub R1 , R3 , (R2) ”的执行阶段至少包含 8 个时钟周期;指令“ inc R1 ”的执行阶段至少包含 7 个时钟周期。 ???

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  • 什么是指令和指令系统

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    指令就是计算机程序发给计算机处理器的命令,英文...指令系统是计算机硬件的语言系统,一般也叫机器语言,指的是机器所具有的全部指令的集合,它是软件和硬件的最主要界面,同时反映了计算机所拥有的基本功能。从系...

    指令就是计算机程序发给计算机处理器的命令,英文名称是instruction。

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    指令系统是计算机硬件的语言系统,一般也叫机器语言,指的是机器所具有的全部指令的集合,它是软件和硬件的最主要界面,同时反映了计算机所拥有的基本功能。

    从系统结构的角度看,它是系统程序员看到的计算机的主要属性。因此指令系统表征了计算机的基本功能决定了机器所要求的能力,也决定了指令的格式和机器的结构。

    d444627c3fafb076a475f49d244ee5f3.png

    扩展资料:

    指令格式

    计算机的指令格式与机器的字长、存储器的容量及指令的功能都有很大的关系。从便于程序设计、增加基本操作并行性、提高指令功能的角度来看,指令中应包含多种信息。

    但在有些指令中,由于部分信息可能无用,这将浪费指令所占的存储空间,并增加了访存次数,也许反而会影响速度。

    因此,如何合理、科学地设计指令格式,使指令既能给出足够的信息,又使其长度尽可能地与机器的字长相匹配,以节省存储空间,缩短取指时间,提高机器的性能,这是指令格式设计中的一个重要问题。

    性能要求

    指令系统的性能决定了计算机的基本功能,它的设计直接关系到计算机的硬件结构和用户的需要。一个完善的指令系统应满足如下四方面的要求:

    1、完备性,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。

    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。高效率主要表现在程序占据存储空间小、执行速度快。

    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。

    匀齐性是指:一种操作性质的指令可以支持各种数据类型;

    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。

    4、兼容性,至少要能做到“向上兼容”,即低档机上运行的软件可以在高档机上运行。

    伪指令

    伪指令(伪操作)不像机器指令那样是在程序运行期间由计算机来执行的,它是在汇编程序对源程序汇编期间由汇编程序处理的操作.它可以完成如处理器选择,定义程序模式,定义数据,分配存储区,指示程序结束等功能.伪指令在编译的时候并不生成代码.伪指令在编译之后就不存在了。

    参考资料来源:百度百科-指令

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  • 计算机组成原理(4.3)—— MIPS指令系统(RSIC)

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    前一篇文章分析了指令系统(ISA)的设计方法,这里以MIPS指令系统为例进行分析 前文链接:计算机组成原理(4.1)—— 指令系统设计 文章目录一、MIPS架构基础1. 寄存器数据指定(1)MIPS架构中的寄存器安排(2)...
  • 计算机组成原理,指令系统,练习题

    千次阅读 2021-07-16 00:14:08
    《计算机组成原理,指令系统,练习题》由会员分享,可在线阅读,更多相关《计算机组成原理,指令系统,练习题(6页珍藏版)》请在人人文库网上搜索。1、单项选择题1 在CPU执行指令的过程中,指令的地址由___B__给出。A ...
  • 指令系统4.1 指令系统的基本概念4.1.1 指令的基本格式1) 四地址指令2) 三地址指令3) 二地址指令4) 一地址指令5) 零地址指令4.1.2 定长操作码指令格式4.1.3 扩展操作码指令格式4.1.4 多字长指令格式4.1.5 指令格式的...
  • 计算机组成原理之指令系统总结

    千次阅读 2020-08-03 00:08:09
    一、指令系统的概述 什么是指令系统? 答:指令系统是计算机硬件的语言系统,也叫做机器语言。 为什么说指令系统是计算机软件和硬件的分界面? 答:因为的上面层次是系统软件和应用软件,下面层次是硬件逻辑实现...
  • 实验:MIPS指令系统和MIPS体系结构 实验目的要求 实验目的 熟悉实验环境、掌握初步汇编语言结构及编程 实验要求 了解实验环境,利用实验机观察的方法,掌握实验环境虚拟机的基本情况。掌握常用汇编语言指令,能够看...
  • 计算机组成原理 — 指令系统

    千次阅读 多人点赞 2019-07-18 16:30:06
    目录 文章目录 目录 前文列表 指令系统 计算机指令集与程序指令 指令格式 指令类型 指令寻址 通过 MIPS 感受指令字的设计 前文列表 《计算机组成的基本硬件设备》 《计算机组成原理 — 冯诺依曼体系结构》 《计算机...
  • 指令系统,寻址方式

    千次阅读 多人点赞 2018-12-23 19:01:52
    用高级语言或者是汇编语言编写的程序,如果要在计算机上执行,必须要利用编译程序或者是汇编程序把高级语言编写的程序,指令,或者是汇编指令变成由0,1...指令集就是计算机系统软件和硬件的交界面。 软件通过指令系...
  • 指令系统——扩展操作码指令格式

    千次阅读 2021-05-14 21:37:36
    定长指令字结构:指令系统中所有指令的长度都相等 变长指令字结构:指令系统中各种指令的长度不等 定长操作码:指令系统中所有指令的操作码长度都相同 可变长操作码:指令系统中各指令的操作码长度可变 定长指令...
  • 指令系统 CISC和RISC(详解)

    千次阅读 2020-06-15 20:04:37
    CISC:Complex Instruction Set Computer设计思路:一条指令完成一个复杂的基本功能。代表:×86架构,主要用于笔记本、台式机等。 80-20规律:典型程序中80%的语句仅仅使用处理机中20%的指令 三、RISC RISC:Reduced ...
  • 计算机组成原理-指令系统

    千次阅读 2019-03-28 09:27:44
    第四章 指令系统 4.1 指令格式 指令的最基本格式 【操作码 | 地址码】 (1)操作码: 反应机器做什么操作 操作码的长度在RISC中固定,而在CISC中长度可变。CISC的长度可变是指利用指令的其他字段对操作码字段进行...

空空如也

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指令系统

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