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  • 指令格式举例

    千次阅读 2020-04-22 11:29:17
    RX格式是二地址格式的寄存器-存储器型指令。 一个操作数在寄存器当中,另外一个操作数在存储区当中,其有效地址由变址(X)和基址(B)寻址方式求得。 可以完成(R1)OP M[(X)+(B)+ D] --> R1的操作。 RS...

    IBM360

    RR格式

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    • RR格式是寄存器-寄存器格式,两个操作数均在寄存器当中,完成(R1)OP(R2)–> R1的操作。

    RX格式

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    • RX格式是二地址格式的寄存器-存储器型指令。
    • 一个操作数在寄存器当中,另外一个操作数在存储区当中,其有效地址由变址(X)和基址(B)寻址方式求得。
    • 可以完成(R1)OP M[(X)+(B)+ D] --> R1的操作。

    RS格式

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    • RS格式是三地址格式的寄存器-存储器型指令。
    • 完成(R3)OP M[(B) + D] --> R1。

    SI格式

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    • SI格式当中的I为立即数。
    • 他完成立即数–>M[(B)+ D]操作。

    SS格式

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    • SS格式是存储器-存储器型指令,两个操作数均在存储器当中,这类指令用于十进制运算和字符串处理,数据长度字段L可以定义一个长度(1-256个字符)或两个长度(每一个为1-16个十进制数)。
    • 完成M[(B1)+D1] OP M[(B2)+D2]–>M[(B1)+D1]的操作。
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  • 2021/01/13 组成原理——第七章 指令系统 7.4指令格式举例一 、设计指令格式时应考虑额各种因素1.指令系统的 兼容性2.其他因素1.IBM 3602.Intel 8086(1)指令字长 1~6个字节(2)地址格式 一 、设计指令格式时应考虑额...

    一 、设计指令格式时应考虑额各种因素

    1.指令系统的 兼容性

    2.其他因素

    在这里插入图片描述

    1.IBM 360

    在这里插入图片描述

    2.Intel 8086

    (1)指令字长 1~6个字节

    在这里插入图片描述

    (2)地址格式

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  • 指令格式设计

    千次阅读 2019-10-12 13:02:18
    问应采用什么样的指令格式指令字长最少应为多少位?执行一条指令最多要访问多少次主存? 解: 根据题目条件,指令格式如下: OP=6位 (寻址方式)X1=X2=X3=3位,共9位 (源操作数)A1=A2=11位,(目的操作数)...

    例1:

    某计算机字长32位,采用三地址指令,支持8种寻址操作,完成60种操作,各寻址方式均可在2K主存范围内取得操作数,并可在1K范围内保存运算结果。问应采用什么样的指令格式?指令字长最少应为多少位?执行一条指令最多要访问多少次主存?
    解:

    根据题目条件,指令格式如下:

    OP=6位

    (寻址方式)X1=X2=X3=3位,共9位

    (源操作数)A1=A2=11位,(目的操作数)A3=10位,共32位

    共47位

    指令占两个存储字,取指访存2次,取2个源操作数访存2次,写结果访存一次,共5次

    例2:

    字长16位,主存64K,指令单字长单地址,80条指令。寻址方式有直接、间接、相对、变址。请设计指令格式

    解:

    80条指令 ==> OP字段需要7位(2^7=128)

    4种寻址方式 ==> 寻址方式特征位2位

    单地址址位长度 ==> 16-7-2=7位

    指令格式 ==>

     

    设PC寄存器16位,变址寄存器16位

    相对寻址 E=(PC)+A,寻址范围 :64K

    变址寻址 E=(R)+A,寻址范围   :64K

    直接寻址 E=A,寻址范围          :128

    间接寻址 E=(A),寻址范围        :64K

    设计评价:访问主存的方式太多,缺少立即数寻址

    例3:

    设某指令系统指令字长16位,每个地址码为6位。若要求设计二地址指令15条、一地址指令34条,问最多还可以设计多少条零地址指令?

    需要做操作码扩展

    采用将操作码字段扩展到没有使用的地址码字段的指令格式设计方案的主要目的是保持指令长度不变,增加指令数量

    解:

    操作码按短码到长码进行扩展编码

    假定二地址指令编码:(0000-1110)共15条,1111作为扩展标识

    则一地址指令编码的全集可表示为:1111 000000 - 111111(假定扩向A1);

    因一地址指令只需34条,可将全集中多余的30种编码作为向零地址指令扩展的标识,假定为:100010 - 111111

    故最多可支持的零地址指令数为:30*2^6 条

     

     

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  • 指令系统之指令格式

    千次阅读 2020-08-13 09:51:10
    指令系统一般和硬件设计耦合比较高,硬件一般跟随指令设计,所以不同的硬件,同一套指令系统是不能兼容的(同一个厂商制作的硬件可能会支持)。 指令格式 一条指令就是机器语言的一个语句,它是一组有意义的二...

    一、指令格式

     

    • 什么是指令?

    指令其实就是机器语言0和1组成的语句,指令可以操控硬件来实现某种基本功能。多个指令组成的系统就叫指令系统。

    指令系统一般和硬件设计耦合比较高,硬件一般跟随指令来设计,所以不同的硬件,同一套指令系统是不能兼容的(同一个厂商制作的硬件可能会支持)。

    • 指令格式

    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。

    一条指令通常由操作码地址码来组成:

    指令格式
    图 1 指令格式

    上图表示的只是一个抽象的概念,并没有指出其中具体的内容。下面举个实际的例子:

    图 2 指令格式
    图 2 指令格式

    图2是A1与A2操作后将结果放在A3中,A4是下一条指令的地址,以便当前指令执行完后继续执行下一条指令。简化后就是:A1 (OP) A2 -> A3, A4=.....

    • 地址指令

    上面说的指令格式其实就叫四地址指令,因为有四个地址。一个地址就是一个二进制串。

    OP是整条指令需要完成的功能,后面四个是主存中取的地址。假设这条四地址指令为OP(00000000) A1( 000001) A2( 000010) A3(占位,存放结果位) A4( 000100)

    设OP=00000000 代表“+”法操作,A1=000001,A2=000010, A3=000001 + 000010 = 000011,A4=000100,那么执行的过程如下图:

    图 3 指令执行过程
    图 3 指令执行过程

    指令对应主存中的内容为了识别方便,采用了16进制表示。

    假设指令字长为32位,操作码占8位,4个地址码字段各占6(32-8=24,24/4=6)位。设存储字长为32位,即4Bit。那么A1可直接表示2^6 = 64个不同位置。一条指令的执行(假设每个地址都是主存地址):

    1. 取指令 访问1次 (假设指令字长=存储字长,为了一次就可以取完)
    2. 取2个操作数 访存2次
    3. 存回结果 访存1次

    共计4次

     

    二、指令寻址方式

     

    上面介绍了四地址指令,那么可不可以省点地址呢?上面的情况是指令和地址存放在一起,如果我们把指令归为一类,操作地址归为一类,是不是就可以不需要下一个指令地址呢?

    图 4 程序计数器
    图 4 程序计数器

     

    有了程序计数器单元的加入,我们的指令变得精简和容易了。指令的下一条地址可以根据地址位顺位移动即可,方便查找;我们也不需要每次重复的单独给出指令地址空间,来存放下一条指令了。经过这样优化以后,就变成了“三地址指令”格式了。

    寻址范围

    上面说指令格式时说过,设指令字长及存储字长均为32位,操作码占8位。

    图 5 四地址指令
    图 5 四地址指令

    4个地址码字段各占6位(32-8=24,24/4=6),指令操作数直接寻址范围为2^6=64,完成一条指令需要访存4次。

    图 6 三地址指令
    图 6 三地址指令

    因为有了“程序计数器”,可以省略下一个指令地址存放空间。3个地址各占8位(32-8 = 24,24/3 =8),指令操作数直接寻址范围为2^8=256,完成一条指令需要访存次数还是4次(取指令,取A1,取A2,结果存回A3)

    图 7 二地址指令
    图 7 二地址指令

    二地址指令是A1既可以当操作数也可以当结果,是比较常见的一种格式。由于又少了一位地址,2个地址各占12位(32-8=24,24/2=12),指令操作数的直接寻址范围为2^12=4096,完成一次指令需要访存4次。

    图 8 一地址指令
    图 8 一地址指令

    一地址指令有2种情况,

    第一种:比如加1、减1、取反、求补等,完成一次指令需要访存3次;

    第二种:自身与ACC(寄存器)操作,完成一次指令需要访存2次(寄存器不是主存,所以不算访存次数)。

    这个时候除了操作码,所有的地址都能用于寻址了,1个地址占24位,指令操作数的直接寻址范围为2^24=16777216。

    图 9 零地址指令
    图 9 零地址指令

     

    三、指令的设计

    以上的5种指令设计就是地址码的设计,在减少地址的情况下并没有改变地址的长度,这种指令集的结构叫定长指令字结构(指令长度固定)。如果随着地址码的减少,我们改变了指令字的长度,就叫做变长指令字结构(指令长度不等)。

    定长指令字和变长指令字结构看的是整条指令的长度。操作码也有定长操作码(n位->2^n条指令)和扩展操作码(操作码长度可变)。我们需要关注的是操作码而不是整条二进制的数量变化。

    扩展操作码(不定长操作码)是变长操作码最常见的一种,扩展操作码是需要设计的。

    图 10 扩展操作码
    图 10 扩展操作码

    举例:

    指令字节长度为16位:前4位为基本操作码字段OP,另有3个4位长的地址字段A1、A2和A3。4位基本操作码若全部用于三地址指令,则有2^4=16条指令范围组合。但是至少需要留出一位做为扩展操作码使用,即三地址指令为15条,依次类推,见图10。

    操作码的长度在变化,如果把1111在三地址指令中被占用了,在二地址指令中就没法区分是操作码还是操作数地址码了。所以在每个高地址指令中留出一位用于低地址指令中使用,4变8,8变12……即是前面留出的一位用做操作码,读取到这一位就知道是操作码,那么就继续往后寻址,这样就实现了扩展操作码了。那么我们想一想,能不能上层多留几位来作为下层的前缀操作码呢?

    在设计扩展操作码指令格式时,必须注意以下两点:

    1. 不允许短码是长码的前缀,即短操作码不能与长操作码的前面部分的代码相同。
    2. 各指令的操作码一定不能重复。

    通常情况下,对使用率较高的指令,分配较短的操作码,对使用频率较低的指令,分配较长的操作码,从而尽可能减少指令译码和分析的时间。具体可以参考哈夫曼编码,这里就不再详细叙述了。

    对于留多位是可以的,只是需要注意以上2点。这里有个公式:设地址长度为n,上一层留出m种状态,下一层可扩展出m*2^n种状态。

    图 11 不定长操作码设计
    图 11 不定长操作码设计

     

    四、总结

    操作码是指出指令中该指令应该执行什么性质的操作和具有何种功能。

    操作码是识别指令、了解指令功能与区分操作数地址内容的组成和使用方法等的关键信息。例如,指出是算术运算,还是减运算;是程序转移,还是返回操作。

    操作码分类

    定长操作码: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。

    优点:简化计算机硬件设计,提高指令译码和识别速度;

    缺点:指令数量增加时会占用更多固定位,留给表示操作数的地址位数受限。

    扩展操作码(不定长操作码):全部指令的操作码字段的位数不固定,且分散放在指令字的不同位置上。

    优点: 对应定长操作码的缺点,在指令字长有限的前提下仍保持比较丰富的指令条种类;

    缺点:增加了指令译码和分析的难度,使控制器的设计复杂化。

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