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  • 第6章STC单片机CPU指令系统 本章主要内容 STC单片机CPU寻址模式 STC单片机CPU指令集 STC单片机CPU寻址模式 一条机器指令包含两部分即操作码和操作数 操作码的目的是要对操作对象进行处理 典型地对操作对象实现...
  • CPU的指令集(指令系统

    万次阅读 2019-02-06 20:00:09
    CPU的指令集(指令系统
                   

    要讲CPU,就必须先讲一下指令系统。指令系统指的是一个CPU所能够处理的全部指令的集合,是一个CPU的根本属性。
    比如我们现在所用的CPU都是 采用x86指令集的,他们都是同一类型的CPU,不管是PIII、Athlon或Joshua。我们也知道,世界上还有比PIII和Athlon快得多的 CPU,比如Alpha,但它们不是用x86指令集,不能使用数量庞大的基于x86指令集的程序,如Windows98。
    之所以说指令系统是一个CPU的 根本属性,是因为指令系统决定了一个CPU能够运行什么样的程序。所有采用高级语言编出的程序,都需要翻译(编译或解释)成为机器语言后才能运行,这些机器语言中所包含的就是一条条的指令。

    1、指令的格式
    一条指令一般包括两个部分:操作码和地址码。
    a) 操作码其实就是指令序列号,用来告诉CPU需要执行的是那一条指令。
    b) 地址码则复杂一些,主要包括源操作数地址、目的地址和下一条指令的地址。
    在某些指令中,地址码可以部分或全部省略,比如一条空指令就只有操作码而没有地址码。
    c) 举个例子吧,某个指令系统的指令长度为32位,操作码长度为8位,地址长度也为8位,且第一条指令是加,第二条指令是减。当它收到一个 “00000010000001000000000100000110”的指令时,先取出它的前8位操作码,即00000010,分析得出这是一个减法操作,有3个地址,分别是两个源操作数地址和一个目的地址。于是,CPU就到内存地址00000100处取出被减数,到00000001处取出减数,送到 ALU中进行减法运算,然后把结果送到00000110处。
    这只是一个相当简单化的例子,实际情况要复杂的多。

    2、 指令的分类与寻址方式
    一般说来,现在的指令系统有以下几种类型的指令:
    a) 算术逻辑运算指令:
    算术逻辑运算指令包括加减乘除等算术运算指令,以及与或非异或等逻辑运算指令。
    现在的指令系统还加入了一些十进制运算指令以及字符串运算指令等。
    b) 浮点运算指令:
    用于对浮点数进行运算。浮点运算要大大复杂于整数运算,所以CPU中一般还会有专门负责浮点运算的浮点运算单元。
    现在的浮点指令中一般还加入了向量指令,用于直接对矩阵进行运算,对于现在的多媒体和3D处理很有用。
    c) 位操作指令:
    学过C的人应该都知道C语言中有一组位操作语句,相对应的,指令系统中也有一组位操作指令,如左移一位右移一位等。对于计算机内部以二进制代码表示的数据来说,这种操作是非常简单快捷的。
    d) 其他指令:
    上面三种都是运算型指令,除此之外还有许多非运算的其他指令。这些指令包括:数据传送指令、堆栈操作指令、转移类指令、输入输出指令和一些比较特殊的指令,如特权指令、多处理器控制指令和等待、停机、空操作等指令。
    对于指令中的地址码,也会有许多不同的寻址(编址)方式,主要有直接寻址,间接寻址,寄存器寻址,基址寻址,变址寻址等,某些复杂的指令系统会有几十种甚至更多的寻址方式。

    3、 CISC,RISC,IA-64(EPIC)

    (1)CISC的产生、发展和现状
    CISC(Complex Instruction Set Computing,复杂指令集)。

    a) 一开始,计算机的指令系统只有很少一些基本指令,而其他的复杂指令全靠软件编译时通过简单指令的组合来实现。
    举个最简单的例子:一个a乘以b的操作就 可以转换为a个b相加来做,这样就用不着乘法指令了。当然,最早的指令系统就已经有乘法指令了,这是为什么呢?因为用硬件实现乘法比加法组合来得快得多。
    b) 由于那时的计算机部件相当昂贵,而且速度很慢,为了提高速度,越来越多的复杂指令被加入了指令系统中。
    c) 但是,很快又有一个问题:一个指令系统的指令数是受指令操作码的位数所限制的,如果操作码为8位,那么指令数最多为256条(2的8次方)。
    那么怎么办呢?指令的宽度是很难增加的,聪明的设计师们又想出了一种方案:操作码扩展。前面说过,操作码的后面跟的是地址码,而有些指令是用不着地址码或只用少量的地址码的。那么,就可以把操作码扩展到这些位置。
    举个简单的例子:如果一个指令系统的操作码为2位,那么可以有00、01、10、11四条不同的指令。现在把11作为保留,把操作码扩展到4位,那么 就可以有00、01、10、1100、1101、1110、1111七条指令。其中1100、1101、1110、1111这四条指令的地址码必须少两位。
    然后,为了达到操作码扩展的先决条件:减少地址码,设计师们又动足了脑筋,发明了各种各样的寻址方式,如基址寻址、相对寻址等,用以最大限度的压缩地址码长度,为操作码留出空间。

    就这样,慢慢地,CISC指令系统就形成了,大量的复杂指令、可变的指令长度、多种的寻址方式是CISC的特点,也是CISC的缺点:因为这些都大大 增加了解码的难度,而在现在的高速硬件发展下,复杂指令所带来的速度提升早已不及在解码上浪费点的时间。除了个人PC市场还在用x86指令集外,服务器以 及更大的系统都早已不用CISC了。x86仍然存在的唯一理由就是为了兼容大量的x86平台上的软件。

    在CISC微处理器中,程序的各条指令是按顺序串行执行的,每条指令中的各个操作也是按顺序串行执行的。顺序执行的优点是控制简单,但计算机各部分的利用率不高,执行速度慢。

    (2)RISC的产生、发展和现状
    RISC(Reduced Instruction Set Computing,精简指令集)。

    1975年,IBM的设计师John Cocke研究了当时的IBM370CISC系统,发现其中占总指令数仅20%的简单指令却在程序调用中占了80%,而占指令数80%的复杂指令却只有20%的机会用到。由此,他提出了RISC的概念。

    复杂的指令系统必然增加微处理器的复杂性,使处理器的研制时间长,成本高。并且复杂指令需要复杂的操作,必然会降低计算机的速度。基于上述原因,20世纪80年代RISC型CPU诞生了,相对于CISC型CPU ,RISC型CPU不仅精简了指令系统,还采用了一种叫做“超标量和超流水线结构”,大大增加了并行处理能力(并行处理并行处理是指一台服务器有多个CPU同时处理。并行处理能够大大提升服务器的数据处理能力。部门级、企业级的服务器应支持CPU并行处理技术)。也就是说,架构在同等频率下,采用RISC架构的CPU比CISC架构的CPU性能高很多,这是由CPU的技术特征决定的

    RISC体系结构和设计思想是80年代初出现的,RISC与CISC指令系统是完全不同,完全决裂的指令系统。
    它的基本思路是:抓住CISC指令系统指令种类太多(其中80%以上都是程序中很少使用的指令)、指令格式不规范、寻址方式太多的缺点(例如,VAX 780的指令操作类型超过1000种,而Alpha只有不到50种指令),通过减少指令种类、规范指令格式和简化寻址方式,大量利用寄存器间操作,大大简化处理器的结构、优化VLSI器件使用效率,从而大幅度地提高处理器性能、并行处理能力和性价比。

    到80年代后期,RISC技术已经发展成为支持高端服务器系统的主流技术,各厂商纷纷推出了32位RISC微处理器。(如:IBM的PowerPC和Power2,Sun的SPARC,HP的PA-RISC 7000和MIPS的R系列等。)
    基于32位RISC芯片的产品在取得了很大的成功,应用日益广泛、软件大量积累、在市场上也产生巨大的影响。

    后来,Alpha作为64位RISC技术的领头羊,开创了64位RISC计算的新时代。
    各主要厂商也都在90年代先后推出了自己的64位RISC微处理器(包括:IBM的Power和PowerPC系列、HP的PA-RISC 8000系列、Sun的UltraSPARC系列和MIPS的R10K系列等)。在此期间,Alpha始终保持了性能领先的地位。

    由于RISC指令集自身的优势,64位RISC微处理器主要在高端服务器领域和高端企业市场上运用。


    事实证明,RISC是成功的。80年代末,各公司的RISC CPU如雨后春笋般大量出现,占据了大量的市场。到了90年代,Intel推出了Pentium处理器,从Pentium pro构架开始,也开始使用一种混合的CISC/RISC构架(注意:这里X86架构上有改变,但仍然是IA-32,是32位处理器,直到AMD推出了X86-64及Intel跟随推出IA-32e之后,才有64位技术)。

    RISC的最大特点是指令长度固定,指令格式种类少,寻址方式种类少,大多数是简单指令且都能在一个时钟周期内完成,易于设计超标量与流水线,寄存器 数量多,大量操作在寄存器之间进行。

    (3)IA-64(EPIC)产生、发展和现状
    IA-64 (Intel Architechure-64,英特尔64位体系架构)
    EPIC (EPIC--Explicitly Parallel Instruction Computing;显性并行指令计算)

    到90年代末,32位芯片的“霸主”Intel宣布与HP合作推出64位IA-64体系结构的处理器。
    Inter和HP从1994年开始合作开发新型的64位芯片,它们选择了一个与大多数RISC微处理器大不相同的方向,推出了一种新的64位指令系统体系结构IA-64。它们把这一体系结构称为EPIC(显性并行指令计算)。

    EPIC既不是RISC也不是CISC,它实质上是一种吸收了两者长处体系结构。IA-64的EPIC体系结构又在这两者教训基础上另辟蹊径。
    EPIC与Cydrome公司(一个80年代走向失败的小巨型机公司)的VLIW体系结构 (Very Long Instruction Word,超长指令集架构)有一定程度的相象之处。

    IA-64(EPIC)架构的处理器,目前只应用在Intel的Itanium(安腾)处理器(目前最高端的处理器)上,基于它专为要求苛刻的企业和技术应用而设计,是瞄准高端企业市场的。

    Intel 和HP合作开发的IA-64 EPIC体系结构安腾系列的先进性和开放性以及发展潜力,它将要取代64位RISC芯片成为未来系统设计和企业应用的主流平台。


    RISC与 IA-64(EPIC)相比:
    64位RISC和IA-64(EPIC)架构的CPU,主要是应用在要求苛刻的技术应用和企业的高端服务器平台上。
    IA-64CPU(安腾)可以说是目前最高端的处理器,基于IA-64先进性和开放性以及发展潜力,它必将要取代64位RISC芯片成为未来系统设计和企业应用的主流平台。
    但这向CPU历史上的技术革命,基于其技术架构、成本等各方面的因素,发展到主流民用市场的话,还有非常长的路要走。

    附:
    安腾处理器详细见文章:“Intel安腾处理器”
    RISC与IA64参考文章:“64位微处理器体系结构发展回顾和展望(64位微处理器的发展历史)(RISC与 IA-64<EPIC>架构微处理器的发展历史)”

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    4、CPU的扩展指令集
    市面上Intel和AMD的桌面级处理器,在“X86指令集”的基础上,为了提升处理器各方面的性能,所以又各自开发新的指令集。指令集中包含了处理器对多媒体、3D处理等方面的支持,这些指令集能够提高处理器对这某些方面处理器能力,但是需要有必要的软件支持。

    1> MMX 指令集 (Multi Media Extended)
    MMX(Multi Media Extended,多媒体扩展指令集)指令集是Intel公司于1996年推出的一项多媒体指令增强技术。
    MMX指令集中包括有57条多媒体指令,通过这些指令可以一次处理多个数据,在处理结果超过实际处理能力的时候也能进行正常处理,这样在软件的配合下,就可以得到更高的性能。
    a) MMX的益处在于:当时存在的操作系统不必为此而做出任何修改便可以轻松地执行MMX程序。
    b) 问题也比较明显:那就是MMX指令集与x87浮点运算指令不能够同时执行,必须做密集式的交错切换才可以正常执行,这种情况就势必造成整个系统运行质量的下降。

    2> SSE指令集 (Streaming-Single instruction multiple data-Extensions)
    SSE(Streaming SIMD Extensions,单指令多数据流扩展)指令集是Intel在Pentium III处理器中率先推出的。其实,早在PIII正式推出之前,Intel公司就曾经通过各种渠道公布过所谓的KNI(Katmai New Instruction)指令集,这个指令集也就是SSE指令集的前身,并一度被很多传媒称之为MMX指令集的下一个版本,即MMX2指令集。
    究其背景,原来"KNI"指令集是Intel公司最早为其下一代芯片命名的指令集名称,而所谓的"MMX2"则完全是硬件评论家们和媒体凭感觉和印象对"KNI"的 评价,Intel公司从未正式发布过关于MMX2的消息。

    最后在Intel推出Pentium III处理器的时候,SSE指令集也终于水落石出。SSE指令集是为提高处理器浮点性能而开发的扩展指令集,
    SSE指令集包括了70条指令:
    a) 其中包含提高3D图形运算效率的50条SIMD(单指令多数据技术)浮点运算指令、
    b) 12条MMX 整数运算增强指令、
    c) 8条优化内存中连续数据块传输指令。
    理论上这些指令对目前流行的图像处理、浮点运算、3D运算、视频处理、音频处理等诸多多媒体应用起到全面强化的作用。

    SSE指令与3DNow!指令彼此互不兼容,但SSE包含了3DNow!技术的绝大部分功能,只是实现的方法不同。
    SSE兼容MMX指令,它可以通过SIMD和单时钟周期并行处理多个浮点数据来有效地提高浮点运算速度。

    3> SSE2指令集
    SSE2(Streaming SIMD Extensions 2,Intel官方称为SIMD 流技术扩展2 或 数据流单指令多数据扩展指令集 2)指令集是Intel公司在SSE指令集的基础上发展起来的。相比于SSE,SSE2使用了144个新增指令,扩展了MMX技术和SSE技术,这些指令提高了广大应用程序的运行性能。
    随MMX技术引进的SIMD整数指令从64位扩展到了128 位,使SIMD整数类型操作的有效执行率成倍提高。双倍精度浮点SIMD指令允许以 SIMD格式同时执行两个浮点操作,提供双倍精度操作支持有助于加速内容创建、财务、工程和科学应用。
    除SSE2指令之外,最初的SSE指令也得到增强,通过支持多种数据类型(例如,双字和四字)的算术运算,支持灵活并且动态范围更广的计算功能。SSE2指令可让软件开发员极其灵活的实施算法,并在运行诸如MPEG-2、MP3、3D图形等之类的软件时增强性能。

    Intel是从Willamette核心的Pentium 4开始支持SSE2指令集的,而AMD则是从K8架构的SledgeHammer核心的Opteron开始才支持SSE2指令集的。

    4> SE3指令集
    SSE3(Streaming SIMD Extensions 3,Intel官方称为SIMD 流技术扩展3 或 数据流单指令多数据扩展指令集3)指令集是Intel公司在SSE2指令集的基础上发展起来的。相比于SSE2,SSE3在SSE2的基础上又增加了13个额外的SIMD指令。
    SSE3 中13个新指令的主要目的是改进线程同步和特定应用程序领域,例如媒体和游戏。这些新增指令强化了处理器在浮点转换至整数、复杂算法、视频编码、SIMD浮点寄存器操作以及线程同步等五个方面的表现,最终达到提升多媒体和游戏性能的目的。

    Intel是从Prescott核心的Pentium 4开始支持SSE3指令集的,而AMD则是从2005年下半年Troy核心的Opteron开始才支持SSE3的。但是需要注意的是,AMD所支持的SSE3与Intel的SSE3并不完全相同,主要是删除了针对Intel超线程技术优化的部分指令。

    5> 3D Now !指令集
    由AMD公司提出的3DNow!指令集应该说出现在SSE指令集之前,并被AMD广泛应用于其K6-2 、K6-3以及Athlon(K7)处理器上。3DNow! 指令集技术其实就是21条机器码的扩展指令集。
    与Intel公司的MMX技术侧重于整数运算有所不同,3DNow!指令集主要针对三维建模、坐标变换 和效果渲染等三维应用场合,在软件的配合下,可以大幅度提高3D处理性能。
    因为受到Intel在商业上以及Pentium III成功的影响,软件在支持SSE上比起3DNow!更为普遍。
    后来在Athlon上开发了Enhanced 3DNow!。这些AMD标准的SIMD指令和Intel的SSE具有相同效能。Enhanced 3DNow! 继续增加至52个指令,包含了一些SSE码,因而在针对SSE做最佳化的软件中能获得更好的效能。

    6> SSE与3DNow!
    目前最新的Intel CPU可以支持SSE、SSE2、SSE3指令集。
    早期的AMD CPU仅支持3DNow!指令集,随着Intel的逐步授权,从Venice核心的Athlon 64开始,AMD的CPU不仅进一步发展了3DNow!指令集,并且可以支持Inel的SSE、SSE2、SSE3指令集。不过目前业界接受比较广泛的还是Intel的SSE系列指令集,AMD的3DNow!指令集应用比较少。

    转载:http://hi.baidu.com/halleyzhang/blog/item/12bad6fd6552c544d6887da3.html

               

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  • 指令系统

    千次阅读 2013-08-07 19:06:44
    CPU所能执行的的有机器指令的集合称为CPU指令系统指令系统设计的好坏、功能的强弱,对整个计算机会产生很大的影响,指令系统是计算机中硬件与软件之间的接口。 1.指令格式 指令是指挥计算机完成各种操作的基本...

            CPU所能完成的操作是由其执行的指令决定的,这些指令称为机器指令。CPU所能执行的的有机器指令的集合称为该CPU的指令系统。指令系统设计的好坏、功能的强弱,对整个计算机会产生很大的影响,指令系统是计算机中硬件与软件之间的接口。

    1.指令格式

    指令是指挥计算机完成各种操作的基本命令。一般来说,一条指令包括两个基本组成部分:操作码和地址码。操作码说明指令的功能及操作性质。地址码用来指出指令的操作对象,它指出操作数或操作数据的地址及指令执行结果的地址。操作码用二进制编码来表示,该字段越长,所能表示的指令就越多。

    2.寻址方式

    寻址方式就是如何对指令中的地址字段进行解释,以获得操作数的方法或获得程序转移地址的方法。下面结合8086CPU说明几咱与操作数有关的寻址方式。

     (1)立即寻址。操作数就包含在指令中。在形成指令的机器代码形式时,立即数就跟在指令操作码的后面,取出指令时即可得到操作数。

    (2)直接寻址。操作数存放在内存单元中,指令中直接给出操作数所在存储单元的地址。

    (3)寄存器寻址。操作数存放在某一寄存器中,指令中给出存放操作数的寄存器名。

    (4)寄存器间接寻址。操作数存入在内存单元中,操作数所在存储单元的地址在某个寄存器中。

    (5)间接寻址。这种寻址方式下,指令中给出操作数地址的地址。

    (6)相对寻址。指令地址码给出的是一个偏移量(可正可负),操作数地址等于本条指令的地址加上该偏移量。

    (7)变址寻址。操作数地址等于变址寄存器的内容加偏移量。

    相对寻址与变址寻址的区别是:用相对寻址方式形成操作数地址是以本指令的地址作为基准地址,再加上偏移量。这里本指令的地址随程序的存储位置而定,用变址寻址方式形成操作数据的地址是以变址寄存器的内容作为基准地址,再加上偏移量。

    3.指令的种类

    尽管为不同CPU所设计的指令系统各不相同,但基本上所有的计算机都包含以下几类型的指令。

    1)数据传送指令。这类指令将数据从一个地方传送到另一个地方。主要包括如下指令。

     (1)数据传送指令。这类指令中一般有两个操作数地址:源操作数地址和目的操作数地址。(2)数据交换指令。(3)堆栈操作指令。

    2)输入/输出(I/O)类指令。这类指令用于实现主机与外设间的信息传送,包括数据的输入/输出、主机向外设发出控制命令以及输入外设的状态。

    3)算术运算类指令。这类指令支持 CPU实现加、减、乘、除等算术运算。主要包括加法、减法、乘法、除法、求补、加1、减1和比较等指令。

    4)逻辑运算指令。这类指令支持CPU实现各种逻辑运算。一般的CPU都会设置逻辑运算指令,主要包括与、或、异或、取反等指令。

    5)移位操作指令。根据移位的方向,当操作数的各位顺序向左移动一位称为左移,同样,当操作数的各位顺序向右移动一位称为右移。移位指令一般可分为算术移位、逻辑移位和循环移位三种类型。

    (1)算术移位。算术移位指令对带符号操作数据进行移位。

    (2)逻辑移位。逻辑移位全指令对无符号操作数进行移位。

    (3)循环移位。循环移位指令分为不带进位的循环移位和带进位的循环左移两种,左移时将最高位移到最低位,右移时将最低位移到最高位。

    6)程序控制类指令。程序控制类指令用于改变指令执行的顺序和控制流的方向。主要包括以下几种:跳转指令、子程序调用和返回指令、陷阱指令。

    7)串操作类指令。现代计算机经常需要处理大量的字符串信息。因此,一般都会设置字符串操作指令。常见的串操作指令包括串传送指令、串比较指令、串搜索指令、串替换指令、串转换指令和串抽取指令等。

    8)处理机控制类指令。这类指令用于对CPU实施控制。

    9)数据转换类指令。有的指令系统中还会设置数据转抽象指令。例如:将十进制数转换为二进制数、二进制数转换为十进制数、定点数转换为浮点数、浮点数转换为定点数等指令。



    ——摘自《程序员教程》


     

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  • 指令系统 指令字指在计算机中的一个字表示的是一个指令,数据字同理 计算机中的所有指令字长不一(定长32位,不定长8位的倍数),所以在存储器存放时,可能会占用多个存储单元,从存储器读出并通过总线传输时,可能...

    指令系统

    1. 指令字指在计算机中的一个字表示的是一个指令,数据字同理
    2. 计算机中的所有指令字长不一(定长32位,不定长8位的倍数),所以在存储器存放时,可能会占用多个存储单元,从存储器读出并通过总线传输时,可能分多次进行,也可能一次读多条指令。每一条指令必须包含操作码
    3. 可以用硬件换取空间,减少指令字中需要指明的地址码,在不改变字长的情况下,扩大指令操作数的直接寻址范围。
    4. 地址格式也可用来表示寄存器,减少访存次数。
    5. 为什么要用位的扩展来确定指令操作码:。
      a) 短的操作码一定不能被用来作为长的操作码的前缀。
      b) 先确定短的操作码,那么接下来的操作码就一定不能含有短操作码,那就只有取出位中还未用作表示的作为长操作码的前缀。
      c) 数目可能不够,那就只有进行扩展来增大数目。
    6. 加括号:存储介质数值;不加括号:存储介质或编码。
    7. 在取址过程中,指令总是从内存单元被取到指令寄存器IR中。
    8. 在直接寻址的指令字中,地址码字段直接给出主存地址;在寄存器寻址的指令字中,地址码字段直接给出寄存器编号。
    9. 基址寄存器的内容由系统决定,程序执行过程中用户不可随意改变。当使用通用寄存器作为基址寄存器时,用户有权直到使用了哪个寄存器。
      中央处理器

    中央处理器

    1. CPU的工作过程就是周而复始的执行指令,计算机各个部分所进行的工作都是有CPU根据指令的要求来启动的

    2. 指令译码器就是对操作码进行测试,从而识别出这条操作码所要求的操作。

    3. 用户可见寄存器指用户可以通过程序访问的寄存器;IR、MAR、MDR是CPU内部的工作寄存器,在程序执行过程中自动赋值,程序员无法进行操作,称为用户不可见寄存器。

    4. DMA工作层面是机器周期,中断工作层面是指令周期

    5. 当CPU采用中断方式实现主存与I/O交换信息时,CPU在每条指令的执行周期结束前,都要发出中断查询信号,以检测是否有I/O发出请求,如果有请求,则CPU要进入中断响应阶段,又称中断周期。

    6. Arithmetic and Logic Unit->ALU->算术逻辑单元。

    7. 以加法运算为例,首先把第一个操作数通过总线送往缓冲寄存器A暂存;再把第二个操作数通过总线送往缓冲寄存器B暂存;最后一步是将两个操作数从缓冲寄存器A和B送往ALU,并将运算结果通过总线送往相应的通用寄存器。

    8. 微指令的字段直接编码方式的每个小段要留出一个状态表示本子短不发出任何现行指令(一般是000)

    9. 微地址形成部件世纪是一个编码器,输入为指令操作码。即将机器指令的操作码送入地址译码器进行译码,输出结果就是对应机器指令微程序的首地址。
      a) 机器指令操作码->对应机器指令微程序首地址

    10. 微指令中,外部条件判断所占位数数目由编码方式决定
      a) 直接编码:几个外部条件就取几位
      b) 字段直接编码:还有无条件转移情况,要满足2^n>=N+1。

    11. 数据旁路技术:不必等待某条指令的执行结果送回到寄存器,再从寄存器中读取数据,而是直接将执行结果送到其他指令所需要的地方。

    12. 猜测法技术:机器先选中转移分支中的一个,按他取址并处理,条件码生效后,如果猜测正确则流水线继续执行,如果猜测错误,则流水线产生断流。

    13. 流水线断流(在执行了众多指令后,CPI比一定会=1):
      a) 当有多条指令的不同阶段都要用到同一个功能部件时,后面的指令要延时执行(资源冲突)
      b) 当层序的执行流程发生改变时,原来按顺序去除的指令无效(猜测法)(控制相关)
      c) 当后面指令的操作数是前面指令的运行结果时,后面的指令要延时执行(数据相关)

    14. 指令中断与缺页中断区别:
      a) 指令中断只有在某条指令相应完成之后才回去响应中断,终端完成后继续执行下一条指令
      b) 缺页中断指要访问的页不在主存,需要操作系统将其调入主存后再进行访问当前页面

    15. 程序断点的保护由中断隐指令完成,CPU内部各寄存器内容的保护在中断服务程序中由用户(或系统)用机器指令编程实现

    16. PC中的内容(即指令地址)在指令执行周期并不能变化,因为他用来存放指令(预取)。在取指令阶段:

      (1)(PC)->MAR		//将要执行的指令的地址放入到地址缓冲寄存器
      (2)1->R				//发出读命令
      (3)(MAR)->MDR	//从指令的地址中取出指令送入u数据寄存器
      (4)(MDR)->IR		//将要指令的指令打入指令寄存器
      (5)(IR)->CU			//指令送入CU进行处理
      (6)(PC)+1->PC	//形成下一条指令的地址
      

    之后就会执行指令,其中可能会在执行完某条指令后遭遇中断等,直到执行完政令,就会进入下一个取址周期。

    1. CPU中的数据通路其实就是用来实现内部运算器/寄存器之间的数据交换,通过数据交换来对指令进行处理,一步步取出存入直到最后交给IR并转交给CU。
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  • 8051单片机指令系统

    2009-03-06 10:34:42
    基本概念 指令是CPU根据人的意图来执行某种操作的命令。...一台计算机所能执行的全部指令的集合称为这个CPU指令系统。 采用助记符表示的指令称为汇编语言。 使用这种指令编写的程序称为汇编语言程序。
  • 计算机指令系统

    千次阅读 多人点赞 2020-05-27 12:01:48
    计算机指令系统性的发展,指令系统的性能要求,指令格式,操作数类型,指令和数据的寻址方式。

    指令系统的发展和性能要求

    1.1指令系统的发展

    程序一一用于解决实际问题的一系列的指令;
    指令一一使计算机执行某种操作的命令
    从组成的层次结构来说,计算机的指令可分为如下3类:

    • 微指令:微程序级的命令,它属于硬件;
    • 机器指令(指令):可完成一个独立的算术或逻辑运算;
    • 宏指令:由若干条机器指令组成的软件指令,它属于软件

    指令系统: 一台计算机中所有机器指令的集合,指令系统的格式和功能直接影响机器的硬件结构、软件系统、以及机器的适用范围。

    计算机指令系统的发展过程:
    ● 50年代:只有定点加减、逻辑运算、数据传送、转移等十几至几十条指令。
    ● 60年代后期:增加了乘除运算、浮点运算、十进制运算、字符串处理等指令,指令数目多达一二百条,寻址方式也趋多样化,出现了系列计算机
    ● 70年代末期:复杂指令系统计算机(CISL)、精简指令系统计算机(RSC),早期的X86处理器(486之前)都是CISL指令系统,奔腾系列CPU使用了RSC和CC构架相结合的办法;

    系列计算机:
    基本指令系统、基本体系结构相同的一系列计算机,不过具体的器件、结构和性能都不会完全相同,一般新机种在各方面要优于旧机种。一个系列往往有多种型号,各型号计算机的指令系统是向下兼容的,新机种的指令系统包含旧机种的全部指令,如 Pentiu系列PC机。

    CISC (complex instruction set computer) 采用复杂的的指令系统,来达到增强计算机的功能、提高机器速度的目的
    CISC指令系统的特点:
    1.指令系统复杂庞大,指令数目多
    2.指令格式多,字长不固定,多种寻址方式;
    3.可访存指令不受限制;
    4.各种指令的执行时间相差很大;
    5.大都采用微程序控制器;

    RISC (Reduced instruction set computer) 从简化指令系统和优化硬件设计的角度来提高系统的性能与速度。
    RISC指令系统的主要特点:
    1.选取使用频率高的简单指令;
    2.指令长度固定,指令格式少,寻址方式种类少
    3.采用流水线技术
    4.使用较多的通用寄存器,减少访存;
    5.控制器以组合逻辑控制为主;
    6.采用优化编译技术;

    1.2 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:
    ①.完备性常用指令齐全,编程方便;
    ②.有效性程序占用内存少,运行速度快;
    ③.规整性指令和数据的使用规则统一,易学易记;
    ④.兼容性:同一系列的低档计算机的程序能够在新的高档计算机上运行;

    指令系统的规整性要求: 规整性包括对称性、匀齐性、指令格式和数据格式的一致性三方面的要求。
    1.对称性:所有的指令都可使用各种寻址方式
    2.匀齐性:一种操作性质的指令可以支持各种数据类型
    3.指令格式和数据格式的一致性:指令长度和数据长度有一定的关系,以方便处理和存取

    1.3 低级语言与硬件结构的关系
    ● 低级语言: 机器语言、汇编语言,是一种面向机器的语言,和具体机器的指令系统密切相关。
    ● 高级语言与低级语言的比较如表所示:

    比较内容高级语言低级语言
    1对机器独立的程度独立不独立
    2编制程序的难易程度
    3编制程序所需的时间较长
    4程序执行时间较长
    5编译过程对计算机资源的要求
    对程序员的训练要求高级语言低级语言
    通用算法需要需要
    语言规则了解较多了解
    硬件知识不需要需要

    指令格式

    指令的一般格式:
    指令字(简称指令):表示一条指令的机器字。
    指令格式:指令字用二进制代码表示的结构形式,由操作码字段和地址码字段组成。
    在这里插入图片描述
    操作码字段: 表征指令的操作特性与功能
    地址码字段: 通常指定参与操作的操作数的地址。

    2.1 操作码
    操作码字段的位数取决于指令系统的规模;
    操作码的类型:

    • 固定长度的操作码:
      操作码字段为4位,则指令系统中的指令数目为24=16条。
      ◆特征:所有指令长度均相同。
      ◆优点: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
      ◆特征:利用操作码扩展技术将操作码扩展到地址码字段,使各类指令的操作码长度不相同;
      ◆优点:充分利用软硬件资源,适用于大规模的指令系统。

    2.2 地址码
    一条指令格式中有几个地址码字段,就称为是几地址指令;

    • 零地址指令:
      在这里插入图片描述
      ①无任何操作数运算。(如NOP、HALT等指令)。
      ②单操作数运算:隐含一个操作数,如Acc。(如CBW指令)
      OP (Acc) → Acc

    • 一地址指令
      在这里插入图片描述
      ①单操作数运算:OP (A1) → A1(如INC指令)
      ②双操作数运算:隐含一个操作数,如Acc
      A(cc) OP (A1)→Acc/A1 (如MUL指令)

    • 两地址指令
      在这里插入图片描述
      功能:(A1) OP (A2) → A1 (如ADD、XOR等指令)

    • 三地址指令
      在这里插入图片描述
      功能:(A1) OP (A2) → A3

    • 多地址指令(如四地址)
      这类指令功能强,一般用高档小型机或中大型机,用于实现成批数据处理,字符串处理、向量或矩阵运算指令等

    两地址指令的分类:
    在这里插入图片描述

    • 根据操作数的物理位置分:
      存储器-存储器(SS)型指令
      A1、A2均为存储单元;
      这类指令的操作时都涉及到内存单元,参与操作的数都放在内存内。
      寄存器-寄存器(RR)型指令
      A1、A2均为寄存器;
      这类指令执行过程中,需要多个通用寄存器或个别专用寄存器,从寄存器中取操作数,把操作数结果存放到另一个寄存器中,执行时不需要访问内存。
      寄存器-存储器(RS)型指令
      A1、A2中一个为寄存器,一个为存储单元;
      执行此类指令时,既要访问内存单元,又要访问寄存器。

    • 指令的操作码扩展技术
      一个指令系统中,若操作码长度固定,且指令格式不同
      指令格式如图:
      在这里插入图片描述
      操作码字段长度取决于指令系统中的指令总数目,地址码较少的指令,编码浪费。

      操作码扩展
      对于不需要某个地址码的指令,把它们的操作码扩充到该地址字段;既充分利用指令字的各字段,又在不增加指令长度的情况下扩展操作码的长度;
      举例:设某指令长16位,包括4位基本操作码字段和3个4位地址码字段。
      在这里插入图片描述
      ① 若全是三地址指令,则最多能有多少条指令?
      操作码为4位的,则指令条数为2<sup>4</sup>=16。

      ② 若三地址指令需15条,两地址指令需15条,单地址指令需15条零地址指令需16条应如何安排?
      可使用操作码扩展技术,缩短固定操作码长度
      在这里插入图片描述
      ① 为了缩短指令的平均长度,应用频率比较高的指令应该分配较短的操作码。
      ② 确保指令码的唯一性。

    在这里插入图片描述
    在这里插入图片描述

    2.3 指令字长度

    • 机器字长
      运算器一次能处理的二进制数的位数。机器指令的长度直接决定着CPU运算的精度直接寻址能力的大小
    • 指令字长
      一个指令字中包含二进制代码的位数;
      指令字长由操作码长度操作数长度个数共同决定。
      ● 指令有半字长单字长双字长多字长等不同的长度类型。
      ● 指令系统可分为等长指令字结构变长指令字结构两种。

    2.4 指令助记符

    • 指令助记符:使用3~4个英文缩写字母来表示的指令操作码
    • 在不同的计算机中,指令助记符的规定是不一样的,指令助记符只是指令操作码字段的一种表示方法;机器内部保存的还是二进制代码形式的机器指令;
      由汇编或编译程序,将助记符翻译成机器代码。
      在这里插入图片描述
      在这里插入图片描述
      指令举例:
      在这里插入图片描述

    操作数类型

    机器指令对数据进行操作,数据通常分为以下四类:

    • 地址数据无符号整数,通过某种运算确定操作数在主存中的有效地址;
    • 数值数据定点整数、小数;浮点数;压缩十进制数
    • 字符数据文本数据或字符串;
    • 逻辑数据由若干二进制位组成,每位的值可以是1或0。

    指令和数据的寻址方式

    4.1指令的寻址方式

    • 1.顺序寻址方式
      当程序执行的流向不发生变化时,指令的寻址方式;由程序计数器记录所要执行指令的地址;一般在每次取指之后,其值加本条指令所占存储单元数。

    • 2.跳跃寻址方式
      当程序转移执行时的指令寻址方式,程序计数器的内容由本条指令给出,而不是顺序改变。

      • 直接寻址方式:指令中给出要转向的有效地址
      • 相对寻址方式:指令中给出要转向单元与当前单元的偏移量
      • 间接寻址方式:指令中给出保存要转向地址的寄存器或存储单元
        在这里插入图片描述

    4.2 操作数的寻址方式
    一种单地址码指令的结构如下图:
    在这里插入图片描述

    • 将指令中的形式地址A变换成操作数有效地址的过程,称为寻址过程。
    • 典型而常用的寻址方式有:隐含寻址、立即寻址、直接寻址、间接寻址、寄存器寻址、寄存器间接寻址、偏移寻址、堆栈寻址。
    隐含寻址立即寻址
    在这里插入图片描述在这里插入图片描述
    直接寻址间接寻址
    在这里插入图片描述在这里插入图片描述
    寄存器寻址寄存器间接寻址
    在这里插入图片描述在这里插入图片描述
    偏移寻址相对寻址
    在这里插入图片描述在这里插入图片描述
    变址寻址基址寻址
    在这里插入图片描述在这里插入图片描述
    堆栈寻址
    在这里插入图片描述
    • 隐含寻址
      ● 操作数地址隐含在操作码中;
      ● 如8086的MUL指令,被乘数隐含在AX(16位)或AL(8位)中
      ●指令字中少了一个地址字段,可缩短指令字长;

    • 立即寻址
      ● 形式地址A就是操作数;
      ● 优点:指令执行阶段不需要访存,速度快
      ● 缺点:形式地址A字段的位数限制了立即数的范围

    • 直接寻址
      ● 有效地址由形式地址字段A直接给出;
      ● EA=A
      ● 特点:执行阶段访问一次存储器,A的位数决定了该指令操作数的寻址范围;操作数的地址不易修改(必须修改A)

    • 间接寻址
      ● 有效地址由形式地址字段A间接提供,
      ● EA=(A)
      ● 特点:可扩大寻址范围;A字段的长度受指令字长和指令格式的限制;寻址时,可根据需要进行多次间址;可用寻址特制字段区分直接寻址和间接寻址方式

    • 寄存器寻址
      ● 形式地址字段A为寄存器编号
      ● EA=Ri
      ● 特点:执行阶段不访存,只访问寄存器,执行速度快,寄存器个数有限,可缩短指令字长

    • 寄存器间接寻址
      ● 形式地址字段A用于指出存放有效地址的寄存器编号;
      ● OEA=(Ri)
      ● 特点:执行阶段访存;○便于编制循环程序

    • 偏移寻址
      ● 直接寻址和寄存器间接寻址方式的结合
      ● 有效地址EA=A+® A是显式的形式地址字段;OR可以是显式的,也可以隐含的,某个专用的寄存器;
      ● 常用的偏移寻址
      ○ 变址寻址:EA=(变址R)+A,变址R+1变址R
      ○ 基址寻址:EA=(基址R)+A,A+1→A
      ○ 相对寻址:EA=(专用R)+A

    • 变址寻址方式
      ● 形式地址A作为基准地址,
      ● 变址寄存器作为可修改量;变址寄存器可自动增减量
      ● 适用于数组、字符串等成批连续数据的处理;
      ● 变址寄存器:可用通用寄存器充当,一般包含多个,在指令中要用一个字段指明当前所用的变址寄存器;

    • 基址寻址方式
      ● 基址寄存器作为基准地址,形式地址A作为可修改量;
      ● 形式地址相当于位移量,可正可负;一般基址寄存器为专用寄存器
      ● 基址寻址原来用于大型机,用作将用户地址转换成物理地址;可以实现地址的重定位,和扩大直接寻址空间
      ● 用途:
      ○ 大型机中,一般用特权指令来管理;
      ○ 小、微型机中,一般与变址寻址联合使用

    • 相对寻址方式
      ● 寻址特征:是基址寻址的一种变通
      ○ 程序计数器PC提供基准地址;
      ○ 形式地址作为位移量D,专用R可正可负;OEA:(PC )+D:
      ●适用于:所要寻找的操作数与现行指令位置间隔固定的场合

    • 堆栈寻址方式
      ● 隐含寻址方式的一种变形,其隐含的操作数在堆栈段中,由栈顶指针指定
      ● 8086堆栈指令举例
      ○ 入栈指令 PUSH SRC
      SP-2→SP;SRC→[SP]
      ○ 出栈指令 POP DST
      [SP]→DST;SP+2→SP

    例题在这里插入图片描述

    例题:
    在这里插入图片描述

    例题:
    设某机字长16位,直接寻址空间为128字,变址时的位移量为-64~+63,16个通用寄存器都可以作为变址寄存器,请设计一套指令系统,满足下列寻址类型的要求:
    (1)直接寻址的二地址指令3条
    (2)变址寻址的一地址指令6条
    (3)寄存器寻址的二地址指令8条;
    (4)直接寻址的一地址指令12条;
    (5)零地址指令32条。
    ● 直接寻址的二地址指令3条
    在这里插入图片描述
    ○这3条指令的操作码为00、01、10;
    ● 变址寻址的一地址指令6条:
    在这里插入图片描述
    ○这6条指令的操作码为:11000~11101
    ● 寄存器寻址的二地址指令8条:
    在这里插入图片描述
    这8条指令的操作码为11110000~11110111直接寻址的一地址指令12条:

    这12条指令的操作码为:111110000~111111011
    ● 零地址指令32条:
    在这里插入图片描述
    这32条指令的操作码为:
    111111000000000~11111110000111

    例题:
    某计算机数据线和地址线均是8根,有一条相对寻址的无条件转移指令存于内存的20H单元中,指令给出的偏移量是15H,设该指令占用2个字节,请计算:
    (1)取该条指令时PC的内容。
    (2)该指令执行结束时Pc的内容。
    解答:
    (1)取指令时,PC的内容为20H
    (2)转移地址=PC+2+D=20H+2+15H=37H
    该条指令执行结束时PC的内容是37H。

    例题:
    某指令系统指令字长为20位,具有双操作数、单操作数和无操作数3种指令格式,每个操作数地址规定用6位表示,当双操作数指令条数取最大值,而且单操作数指令条数也取最大值时,这3种指令最多可能拥有的指令数各是多少?
    解:按操作码扩展技术来设计,双操作数指令最多28-1条,单操作数指令最多63条,因此无操作数指令条数的最大值为64条
    在这里插入图片描述

    例题
    某机器字长为16位,主存容量是64K字,有专用的变址寄存器,采用单字长单地址指令,共有54条指令。试采用直接、立即、变址、相对四种寻址方式设计指令格式。解答
    在这里插入图片描述
    ○54条指令,故操作码需要6位。因为四种寻址方式,所以寻址特征位取2位,余下的8位作为形式地址D。其指令格式为
    O寻址模式X定义如下:
    X=00直接寻址有效地址E=D(256个单元)
    X=01立即寻址D=操作数
    X=10变址寻址有效地址E=®+D(64K)
    X=11相对寻址有效地址E=(PC)+D(64K)其中R为变址寄存器(16位)、PC为程序计数器(16位)相对寻址和变址寻址中,D可正可负。

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