计算机组成和工作原理电子教案省公共课一等奖全国赛课获奖课件.pptx

主主 编编 刘晓川刘晓川计算机组成与工作原理计算机组成与工作原理 电子教案电子教案中等职业学校教学用书（计算机技术专业）中等职业学校教学用书（计算机技术专业）第1页第第3章章 计算机硬件工作原理计算机硬件工作原理 3.1 中央处理器中央处理器 3.2 存放器存放器 3.3 总线系统总线系统 第2页3.1 中央处理器中央处理器3.1.1 CPU组成结构与功效组成结构与功效(一)CPU功效用用计计算算机机处处理理某某个个问问题题时时，首首先先必必须须为为它它编编写写程程序序。程程序序是是由由指指令令组组成成序序列列，这这个个序序列列明明确确告告诉诉计计算算机机应应该该执执行行什什么么操操作作，在在什什么么地地方方找找到到用用来来操操作作数数据据。一一旦旦把把程程序序装装入入内内存存放放器器，CPUCPU就就能能够够自自动动完完成成取取出出指指令令和和执执行指令任务。行指令任务。CPUCPU对整个计算机系统运行是极其主要，它含有以下四方面基本功效：对整个计算机系统运行是极其主要，它含有以下四方面基本功效：1 1操作控制操作控制一一条条指指令令功功效效往往往往是是由由若若干干个个操操作作信信号号组组合合来来实实现现，所所以以，CPUCPU管管理理并并产产生生由由内内存存取取出出每每条条指指令令操操作作信信号号，把把各各种种操操作作信信号号送送往往对对应应部部件件，从从而控制这些部件按指令要求进行动作。而控制这些部件按指令要求进行动作。第3页2指令控制 程序顺序控制，称为指令控制。由于程序是一个由指令构成序列，这些指令相互顺序不能任意颠倒，必须严格按程序规定顺序进行，所以，保证机器按顺序执行程序是CPU首要任务。3时间控制 对各种操作实施时间上定时，称为时间控制。因为在计算机中，各种指令操作信号均受到时间严格定时。其次，一条指令整个执行过程也受到时间严格定时。只有这样，计算机才能有条不紊地自动工作。4数据加工数据加工，就是对数据进行算术运算和逻辑运算处理。完成数据加工处理，是CPU根本任务。因为，原始信息只有经过加工处理后才能对人们有用。第4页(二二)CPU组成结构组成结构 在在前前面面介介绍绍内内容容中中我我们们知知道道CPU主主要要由由运运算算器器和和控控制制器器组组成成。但但伴伴随随计计算算机机硬硬件件技技术术发发展展，尤尤其其是是集集成成电电路路技技术术应应用用，以以及及人人们们对对计计算算机机运运算算速速度度更更高高要要求求，一一些些在在传传统统意意义义计计算算机机中中属属于于CPU外外部部逻逻辑辑功功效效部部件件纷纷纷纷移移入入到到了了CPU中中，比比如如浮浮点点运运算算单单元元、高高速速缓缓冲冲存存放放器器等等。这这么么，CPU就就由由运运算算器器（包包含含定定点点与与浮浮点点运运算算单单元元）、控控制制器器以以及及Cache三三大大部部分分组组成成。下下面面先先给给出出CPU简简单单模模型型，然然后后再再分分块块详详细介绍。细介绍。控制信号控制信号+1CPUALUAccMDRPCPSWRMARIRIDCU主主存存I/O图图3-1 CPU简单模型简单模型 第5页在图在图3-13-1中缩写字母代表含义：中缩写字母代表含义：ALUALU表示算术逻辑运算单元表示算术逻辑运算单元 AccAcc表示累加存放器表示累加存放器CUCU表示控制单元表示控制单元 PSWRPSWR表示程序状态字存放器表示程序状态字存放器IRIR表示指令存放器表示指令存放器 PCPC表示程序记数器表示程序记数器MDRMDR表示存放器数据存放器表示存放器数据存放器 MARMAR表示存放器地址存放器表示存放器地址存放器1 1运算器主要功效有：运算器主要功效有：运运算算器器由由算算术术逻逻辑辑运运算算单单元元（ALUALU）、累累加加存存放放器器、数数据据缓缓冲冲存存放放器器和和程程序序状状态态存存放放器器组组成成，它它是是数数据据加加工工处处理理部部件件。相相对对控控制制器器而而言言，运运算算器器接接收收控控制制器器命命令令而而进进行行动动作作，即即运运算算器器所所进进行行全全部部操操作作都都是是由由控控制制器器发发出出控制信号来指挥，所以它是执行部件。运算器有两个主要功效：控制信号来指挥，所以它是执行部件。运算器有两个主要功效：执行全部算术运算；执行全部算术运算；执执行行全全部部逻逻辑辑运运算算，并并可可进进行行逻逻辑辑测测试试，如如零零值值测测试试或或两两个个值值比比较较等。等。第6页2 2控制器主要功效有：控制器主要功效有：控控制制器器由由程程序序计计数数器器、指指令令存存放放器器、指指令令译译码码器器、时时序序产产生生器器和和操操作作控控制制器器组组成成，它它是是公公布布命命令令“决决议议机机构构”，即即完完成成协协调调和和指指挥挥整整个个计计算机系统操作。控制器主要功效有：算机系统操作。控制器主要功效有：从主存中取出一条指令，并指出下一条指令在主存中位置。从主存中取出一条指令，并指出下一条指令在主存中位置。对对指指令令进进行行译译码码或或测测试试，产产生生对对应应操操作作控控制制信信号号，方方便便开开启启要要求动作。求动作。指挥并控制指挥并控制CPU、主存和输入输出设备之间数据流动方向。、主存和输入输出设备之间数据流动方向。第7页(三三)CPU中主要存放器中主要存放器 CPUCPU中中存存放放器器是是用用来来暂暂时时保保留留运运算算和和控控制制过过程程中中中中间间结结果果、最最终终止止果果以及控制、状态信息，它能够分为通用存放器和专用存放器两大类。以及控制、状态信息，它能够分为通用存放器和专用存放器两大类。1 1通用存放器通用存放器通通用用存存放放器器可可用用来来存存放放原原始始数数据据和和运运算算结结果果，有有还还能能够够作作为为变变址址存存放放器器、计计数数器器、地地址址指指针针等等。当当代代计计算算机机中中为为了了降降低低访访问问存存放放器器次次数数，提提升升运运算算速速度度，往往往往在在CPUCPU中中设设置置大大量量通通用用存存放放器器，少少则则几几个个，多多则则几几十十个个，甚至上百个。甚至上百个。累累加加存存放放器器Acc也也是是一一个个通通用用存存放放器器，它它用用来来暂暂时时存存放放ALU运运算算结结果果信信息息。比比如如，在在执执行行一一个个加加法法运运算算前前，先先将将一一个个操操作作数数暂暂时时存存放放在在Acc中中，再再从从主主存存中中取取出出另另一一操操作作数数，然然后后同同Acc内内容容相相加加，所所得得结结果果送送回回Acc中中。运算器中最少要有一个累加存放器。运算器中最少要有一个累加存放器。第8页2 2专用存放器专用存放器 程序计数器（程序计数器（PCPC）程程序序计计数数器器又又称称指指令令计计数数器器，用用来来存存放放正正在在执执行行指指令令地地址址或或接接着着要要执执行行下条指令地址。下条指令地址。对对于于次次序序执执行行情情况况，PCPC内内容容应应不不停停地地增增量量（加加“1 1”），以以控控制制指指令令次次序序执执行行。这这种种加加“1 1”功功效效，有有些些机机器器是是程程序序计计数数器器本本身身含含有有，也也有有些些机机器器是是借借助运算器来实现。助运算器来实现。在在碰碰到到需需要要改改变变程程序序执执行行次次序序情情况况时时，将将转转移移目目标标地地址址送送往往PC，即即可可实实现现程程序序转转移移。有有些些情情况况下下除除改改变变PC内内容容外外，还还需需要要保保留留改改变变之之前前内内容容，方方便便返回时使用。返回时使用。指令存放器（指令存放器（IRIR）指指令令存存放放器器用用来来存存放放从从存存放放器器中中取取出出指指令令。当当指指令令从从主主存存取取出出暂暂存存于于指指令令存存放放器器之之后后，在在执执行行指指令令过过程程中中，指指令令存存放放器器内内容容不不允允许许发发生生改改变变，以以确确保保实现指令全部功效。实现指令全部功效。第9页 存放器数据存放器（存放器数据存放器（MDRMDR）存存放放器器数数据据存存放放器器用用来来暂暂时时存存放放由由主主存存放放器器读读出出一一条条指指令令或或一一个个数数据据字字；反反之之，当当向向主存存入一条指令或一个数据字时，也暂时将它们存放在存放器数据存放器中。主存存入一条指令或一个数据字时，也暂时将它们存放在存放器数据存放器中。存放器地址存放器（存放器地址存放器（MARMAR）存存放放器器地地址址存存放放器器用用来来保保留留当当前前CPUCPU所所访访问问主主存存单单元元地地址址。因因为为主主存存和和CPUCPU之之间间存存在在着着操作速度上差异，所以必须使用地址存放器来保持地址信息，直到主存读写操作完成为止。操作速度上差异，所以必须使用地址存放器来保持地址信息，直到主存读写操作完成为止。当当CPUCPU和和主主存存进进行行信信息息交交换换，不不论论是是CPUCPU向向主主存存存存取取数数据据时时，还还是是CPUCPU从从主主存存中中读读出出指指令时，都要使用存放器地址存放器和数据存放器。令时，都要使用存放器地址存放器和数据存放器。状态标志存放器（状态标志存放器（PSWRPSWR）状状态态标标志志存存放放器器用用来来存存放放程程序序状状态态字字（PSW）。程程序序状状态态字字各各位位表表征征程程序序和和机机器器运运行行状状态态，是是参参加加控控制制程程序序执执行行主主要要依依据据之之一一。它它主主要要包包含含两两部部分分内内容容：一一是是状状态态标标志志，如如进进位位标标志志（C）、结结果果为为零零标标志志（Z）等等，大大多多数数指指令令执执行行将将会会影影响响到到这这些些标标志志位位；二二是是控控制制标标志志，如如中中止止标标志志、陷陷阱阱标标志志等等。状状态态标标志志存存放放器器位位数数往往往往等等于于机机器器字字长长，各各类类机机器器状状态态标志存放器位数和设置位置不尽相同。标志存放器位数和设置位置不尽相同。第10页3.1.2 CPU3.1.2 CPU指令系统指令系统 (一一)指令系统概述指令系统概述 指令和指令系统是计算机系统中最基本概念。计算机系统主要由硬指令和指令系统是计算机系统中最基本概念。计算机系统主要由硬件和软件两大部分组成。所谓硬件是指由五大基本部件组成实际装置。软件和软件两大部分组成。所谓硬件是指由五大基本部件组成实际装置。软件则是为了方便用户使用计算机而编写各种程序，最终转化成一系列机器件则是为了方便用户使用计算机而编写各种程序，最终转化成一系列机器指令后在计算机上执行。指令后在计算机上执行。计算机指令是机器指令简称，是计算机硬件能够识别和执行操作命令，计算机指令是机器指令简称，是计算机硬件能够识别和执行操作命令，用二进制编码形式表示。从表面上看，指令与数据（在计算机中也是以二用二进制编码形式表示。从表面上看，指令与数据（在计算机中也是以二进制编码形式表示）并没有什么不一样，但作为指令二进制编码与数据二进制编码形式表示）并没有什么不一样，但作为指令二进制编码与数据二进制编码是有着根本不一样含意。每一条指令都指示计算机硬件完成指定进制编码是有着根本不一样含意。每一条指令都指示计算机硬件完成指定基本操作。任何一个类型计算机基本指令个数都是固定，但经过它们编写基本操作。任何一个类型计算机基本指令个数都是固定，但经过它们编写出程序是无穷。出程序是无穷。第11页 指令系统是一台计算机所能执行全部指令集合。计算机性能与它指令系统是一台计算机所能执行全部指令集合。计算机性能与它所设置指令系统有很大关系，而指令系统设置又与机器硬件结构亲密相所设置指令系统有很大关系，而指令系统设置又与机器硬件结构亲密相关。指令系统发展也由早期计算机硬件结构简单、指令条数和实现功效关。指令系统发展也由早期计算机硬件结构简单、指令条数和实现功效简单到以后硬件结构越来越复杂、指令条数和功效也越来越丰富。比如简单到以后硬件结构越来越复杂、指令条数和功效也越来越丰富。比如早期计算机早期计算机CPUCPU中无专门乘除法模块，也没有乘除法指令，实现乘除运算中无专门乘除法模块，也没有乘除法指令，实现乘除运算经过执行实现乘除子程序来完成（将乘除转换为加减和移位），但伴随经过执行实现乘除子程序来完成（将乘除转换为加减和移位），但伴随硬件技术发展，硬件技术发展，CPUCPU中设有专门乘除法模块，有了专门乘除法指令，计算中设有专门乘除法模块，有了专门乘除法指令，计算机执行乘除法操作速度也得到了提升。机执行乘除法操作速度也得到了提升。一台计算机指令系统越丰富，这台计算机一台计算机指令系统越丰富，这台计算机CPU越复杂，其处理能力越复杂，其处理能力也越强。也越强。第12页一个完善指令系统应该具备以下几个方面特征：一个完善指令系统应该具备以下几个方面特征：1 1完备性完备性完备性是指用汇编语言编写各种程序时，指令系统直接提供指令足够使用，而无须用软件来实现。完完备性是指用汇编语言编写各种程序时，指令系统直接提供指令足够使用，而无须用软件来实现。完备性要求指令系统丰富、功效齐全、使用方便。备性要求指令系统丰富、功效齐全、使用方便。2 2有效性有效性有效性是指利用该指令系统所编写程序能够高效率地运行。高效率主要是指时空效率，即程序在执行有效性是指利用该指令系统所编写程序能够高效率地运行。高效率主要是指时空效率，即程序在执行时所占用存放空间小而执行速度快。时所占用存放空间小而执行速度快。3 3规整性规整性规整性包含指令系统对称性、匀齐性、指令格式和数据格式一致性。规整性包含指令系统对称性、匀齐性、指令格式和数据格式一致性。对称性：在指令系统中全部存放器和存放器单元都可同等对待，全部指令都可使用各种寻址方式；对称性：在指令系统中全部存放器和存放器单元都可同等对待，全部指令都可使用各种寻址方式；匀齐性：一个操作性质指令能够支持各种数据类型；匀齐性：一个操作性质指令能够支持各种数据类型；格式一致性：指令长度和数据长度有一定关系，以方便处理和存取。格式一致性：指令长度和数据长度有一定关系，以方便处理和存取。4 4兼容性兼容性兼容性主要是指程序移植性。最少要能做到兼容性主要是指程序移植性。最少要能做到“向上兼容向上兼容”，即低级机上运行软件能够在高档机上运行。，即低级机上运行软件能够在高档机上运行。第13页普通来说，指令包含操作码及地址码两部分。操作码用来表示各种普通来说，指令包含操作码及地址码两部分。操作码用来表示各种不一样操作，或者说操作码指明该指令执行什么类型操作，。地址码指不一样操作，或者说操作码指明该指令执行什么类型操作，。地址码指出被操作数据在内存中存放位置。但深入讨论指令组成时，指令中还应出被操作数据在内存中存放位置。但深入讨论指令组成时，指令中还应以下信息：以下信息：操作种类和性质，我们称之为操作码。操作种类和性质，我们称之为操作码。操作数存放地址，在双操作数运算中，如加、减、乘、除、逻辑操作数存放地址，在双操作数运算中，如加、减、乘、除、逻辑乘、逻辑加运算中都需要指定两个操作数，给出二个操作数地址。乘、逻辑加运算中都需要指定两个操作数，给出二个操作数地址。操作结果存放地址。操作结果存放地址。(二二)指令格式指令格式 第14页 下条指令存放地址，这么能够确保程序能连续不停地执行下去，下条指令存放地址，这么能够确保程序能连续不停地执行下去，直到程序结束。直到程序结束。指指令令中中用用不不一一样样代代码码段段表表示示上上述述不不一一样样信信息息，这这种种代代码码段段划划分分和和含含义义，就就是是指指令令编编码码方方式式，又又叫叫指指令令格格式式，通通常常一一条条指指令令中中包包含含操操作作码码字字段段和和若若干干个个地地址址码码字字段段。有有些些地地址址信信息息能能够够在在指指令令中中显显著著给给出出，称称为为显显地地址址；也能够依照某种事先约定，用隐含方式给出，称为隐地址。也能够依照某种事先约定，用隐含方式给出，称为隐地址。第15页1 1地址码结构地址码结构依据指令中显地址个数能够分为以下几个指令格式：依据指令中显地址个数能够分为以下几个指令格式：四地址指令四地址指令OPOP：操作码；：操作码；A1A1：第一地址码，存放第一操作数；：第一地址码，存放第一操作数；A2A2：第二地址码，存放第二操作数；：第二地址码，存放第二操作数；A3A3：第三地址码，存放操作结果；：第三地址码，存放操作结果；A4A4：第四地址码，存放下条要执行指令地址。：第四地址码，存放下条要执行指令地址。其中：其中：AiAi表示地址，表示地址，(Ai)(Ai)表示存放于该地址中内容。表示存放于该地址中内容。该指令完成操作可示意为：（该指令完成操作可示意为：（A1A1）OPOP（A2A2）A3A3这这种种指指令令直直观观易易懂懂，后后续续指指令令地地址址可可任任意意填填写写。因因为为程程序序中中大大部部分分指指令令都都是是次次序序执行，当采取指令计数器后，执行，当采取指令计数器后，A4地址能够省去；则得到三地址指令。地址能够省去；则得到三地址指令。OPOPA1A1A2A2A3A3A4A4第16页 三地址指令三地址指令 三地址指令中各项含义与四地址指令相同。因为采取了指令计数三地址指令中各项含义与四地址指令相同。因为采取了指令计数器（又称程序计数器，简称器（又称程序计数器，简称PCPC），省去了），省去了A4A4地址；用三地址指令编写程地址；用三地址指令编写程序，其指令在内存中必须依次存放，才能利用程序计数器自动增量方法序，其指令在内存中必须依次存放，才能利用程序计数器自动增量方法次序执行。若程序要转向时，必须用转移指令改变程序执行次序。次序执行。若程序要转向时，必须用转移指令改变程序执行次序。OPOPA1A1A2A2A3A3第17页 二地址指令二地址指令OPOP：操作码；：操作码；A1A1：既作第一操作数地址，又作目标地址；：既作第一操作数地址，又作目标地址；A2A2：第二操作数地址。：第二操作数地址。该指令完成操作可示意为：（该指令完成操作可示意为：（A1A1）OPOP（A2A2）A1A1使用二地址指令编写程序，其指令在内存中也要依次存放，才能用程序计数器自动使用二地址指令编写程序，其指令在内存中也要依次存放，才能用程序计数器自动增量使之次序执行。若程序发生转向时，也必须用转移指令改变程序执行次序。当二增量使之次序执行。若程序发生转向时，也必须用转移指令改变程序执行次序。当二地址指令执行之后，地址指令执行之后，A1中内容被修改了。中内容被修改了。OPOPA1A1A2A2第18页 一地址指令一地址指令 指令中只给出一个操作数地址，另一个操作数地址和目标地址则是隐指令中只给出一个操作数地址，另一个操作数地址和目标地址则是隐含。这个隐含地址就是运算器累加存放器含。这个隐含地址就是运算器累加存放器AccAcc。该指令完成操作可示意为：（该指令完成操作可示意为：（AccAcc）OPOP（A A）AccAcc 采取一地址指令编写程序，其指令在内存中也要次序存放，由程序计采取一地址指令编写程序，其指令在内存中也要次序存放，由程序计数器自动增量控制其次序执行。程序转向时，也用转移指令改变程序执行方数器自动增量控制其次序执行。程序转向时，也用转移指令改变程序执行方向。在程序执行前，必须用一条向。在程序执行前，必须用一条“取数指令取数指令”把其中一个操作数放到累加存把其中一个操作数放到累加存放器中。放器中。程序结束后，累加存放器内容已被修改。若要将累加存放器中结果送回程序结束后，累加存放器内容已被修改。若要将累加存放器中结果送回内存，则必须使用内存，则必须使用“存数指令存数指令”。OPOPA A第19页 零地址指令零地址指令没有操作数地址指令称为零地址指令。没有操作数地址指令称为零地址指令。执行零地址指令时，被运算操作数地址全部是隐含，指令格式中只说明作什执行零地址指令时，被运算操作数地址全部是隐含，指令格式中只说明作什么操作。如停机指令就是零地址指令。么操作。如停机指令就是零地址指令。指令中地址码个数选取需要考虑很多原因。从缩短程序长度、用户使用方便、指令中地址码个数选取需要考虑很多原因。从缩短程序长度、用户使用方便、增加操作并行度等方面考虑，采取三地址指令格式很好；从缩短指令长度，降低增加操作并行度等方面考虑，采取三地址指令格式很好；从缩短指令长度，降低访存次数、简化硬件设计等方面考虑，一地址指令格式很好。对于同一个问题，访存次数、简化硬件设计等方面考虑，一地址指令格式很好。对于同一个问题，采取三地址指令编写程序最短，但指令长度最长；而采取二（一、零）地址指令采取三地址指令编写程序最短，但指令长度最长；而采取二（一、零）地址指令编写，程序长度变长，但指令长度变短。比如：完成（编写，程序长度变长，但指令长度变短。比如：完成（X X）+（Y Y）ZZ操作。操作。用一条三地址指令编写为：用一条三地址指令编写为：ADD X,Y,Z;ADD X,Y,Z;用二地址指令编写则为：用二地址指令编写则为：ADD X,Y;(X)+(Y)ADD X,Y;(X)+(Y)XX MOV Z,X;(X)Z MOV Z,X;(X)Z OPOP第20页2操作码编码操作码编码 操作码表示该指令应进行什么性质操作。组成操作码操作码表示该指令应进行什么性质操作。组成操作码字段位数普通取决于计算机指令系统规模，也就是说操作码字段位数普通取决于计算机指令系统规模，也就是说操作码所占二进制位数越多，这台计算机所能允许指令条数也就越所占二进制位数越多，这台计算机所能允许指令条数也就越多。多。比如，操作码占用六位二进制码时，六位二进制码能够比如，操作码占用六位二进制码时，六位二进制码能够有有000000、0000001111111共计共计26=64种状态，每一个状态种状态，每一个状态能够用来表示一个类型操作，所以这台计算机最多就能够允能够用来表示一个类型操作，所以这台计算机最多就能够允许有许有64条指令。条指令。第21页操作码字段编码方案分两种类型：第一种类型就是采取定长操作码形式编码，也就是说操作码长度固定不变，如同前面介绍情况。若操作码长度为k位二进制位，则它最多只能有2K条不一样指令。这种格式有利于简化硬件设计，降低指令译码时间，广泛用于字长较长大、中型计算机和超级小型计算机中。第二种类型采取可变长度操作码格式，各种指令操作码位数不一样，即操作码长度是可变，且分散地放在指令不一样字段中。这种格式有利于压缩程序中操作码平均长度，在字长较短微型机中被广泛应用。比如下列图3-2是一种扩展操作码示意：图图3-2 扩展操作码示意扩展操作码示意 第22页 这是一个这是一个1616位字长指令码，包含位字长指令码，包含4 4位基本操作码字段和三个位基本操作码字段和三个4 4位长地址位长地址字段。字段。4 4位基本操作码，若全部用于三地址指令，则有位基本操作码，若全部用于三地址指令，则有1616条。显然，条。显然，4 4位基本位基本操作码是不够，必须向地址码字段扩展操作作码长度。其扩展方法及步骤以操作码是不够，必须向地址码字段扩展操作作码长度。其扩展方法及步骤以下：下：15条三地址指令操作码由条三地址指令操作码由4位基本操作码位基本操作码00001110所给定，剩下一个所给定，剩下一个1111则用于把操作码扩展到则用于把操作码扩展到X地址码字段，即由地址码字段，即由4位扩展到位扩展到8位；位；0000 XXXX YYYY ZZZZ0000 XXXX YYYY ZZZZ0001 XXXX YYYY ZZZZ0001 XXXX YYYY ZZZZ 15 15条三地址指令条三地址指令1110 XXXX YYYY ZZZZ1110 XXXX YYYY ZZZZ第23页 15条二地址指令操作码由条二地址指令操作码由8位操作码位操作码1111,00001111,1110给定，剩给定，剩下下1111,1111又可用于把操作码扩充到又可用于把操作码扩充到Y地址字段，即从地址字段，即从8位又扩充到位又扩充到12位；位；1111 0000 YYYY ZZZZ1111 0000 YYYY ZZZZ1111 0001 YYYY ZZZZ1111 0001 YYYY ZZZZ 15 15条二地址指令条二地址指令1111 1110 YYYY ZZZZ1111 1110 YYYY ZZZZ第24页 15条一地址指令操作码由条一地址指令操作码由12位操作码位操作码1111,1111,00001111,1111,1110给定，剩下给定，剩下1111,1111,1111又可用于把操作码扩充到又可用于把操作码扩充到Z地址字段，即从地址字段，即从12位又位又扩充到扩充到16位位,得到得到1616条零地址指令。条零地址指令。1111 1111 0000 ZZZZ1111 1111 0000 ZZZZ1111 1111 0001 ZZZZ1111 1111 0001 ZZZZ 15 15条一地址指令条一地址指令1111 1111 1110 ZZZZ1111 1111 1110 ZZZZ1111 1111 1111 00001111 1111 1111 00001111 1111 1111 00011111 1111 1111 0001 16 16条零地址指令条零地址指令1111 1111 1111 11111111 1111 1111 1111第25页 需要说明是扩展方法不是唯一，比如上例中也可扩展为需要说明是扩展方法不是唯一，比如上例中也可扩展为1515条条3 3地址、地址、1414条二地址、条二地址、3131条一地址和条一地址和1616条零地址指令。因为扩展方法多样，终究条零地址指令。因为扩展方法多样，终究选取哪一个方法有一个主要标准：使用频度高指令应分配短操作码，使选取哪一个方法有一个主要标准：使用频度高指令应分配短操作码，使用频度低应分配较长操作码。用频度低应分配较长操作码。第26页(三三)寻址方式寻址方式 所谓寻址，指是寻找操作数地址或下一条将要执行指令地址。所谓寻址，指是寻找操作数地址或下一条将要执行指令地址。指令寻址比较简单，它又能够细分为次序寻址和跳跃寻址。次序寻址可指令寻址比较简单，它又能够细分为次序寻址和跳跃寻址。次序寻址可经过程序计数器经过程序计数器PCPC加加“1 1”，自动形成下一条指令地址；跳跃寻址是指程，自动形成下一条指令地址；跳跃寻址是指程序执行转移指令，需要经过程序转移类指令实现。即当程序执行到转移指序执行转移指令，需要经过程序转移类指令实现。即当程序执行到转移指令时，下条指令地址不再由令时，下条指令地址不再由PCPC给出，而是由本条指令给出。给出，而是由本条指令给出。数据寻址方式种类较多，其最终目标都是寻找所需要操作数。数据寻址方式种类较多，其最终目标都是寻找所需要操作数。第27页在前面指令格式中介绍了，指令中不但应指明要执行什么类型操作，还要指明参在前面指令格式中介绍了，指令中不但应指明要执行什么类型操作，还要指明参加操作数据在主存中存放地址；假如没有采取任何寻址方式，即地址码字段就是参加加操作数据在主存中存放地址；假如没有采取任何寻址方式，即地址码字段就是参加操作数据在主存中存放实际地址，那显然有以下公式成立：假如地址码字段位数为操作数据在主存中存放实际地址，那显然有以下公式成立：假如地址码字段位数为n n位，位，则该指令能够访问存放器地址范围是则该指令能够访问存放器地址范围是2 2n n。但在大多数计算机中地址码位数受指令长度。但在大多数计算机中地址码位数受指令长度限制而不会太长，而主存容量却比较大，造成指令无法访问主存全部空间。假如为了限制而不会太长，而主存容量却比较大，造成指令无法访问主存全部空间。假如为了加大访存范围而设置更长地址码位数，又会造成指令过长、程序设计灵活性变差等问加大访存范围而设置更长地址码位数，又会造成指令过长、程序设计灵活性变差等问题。在这种背景下，寻址技术被广泛采取了，即在地址码中给出地址并不是数据在主题。在这种背景下，寻址技术被广泛采取了，即在地址码中给出地址并不是数据在主存中存放实际地址，称为形式地址。形式地址需要经过某种运算才能够得到能直接访存中存放实际地址，称为形式地址。形式地址需要经过某种运算才能够得到能直接访问主存地址称为有效地址（普通用字母问主存地址称为有效地址（普通用字母EAEA表示），从形式地址生成有效地址各种方式表示），从形式地址生成有效地址各种方式称为寻址方式，即：称为寻址方式，即：寻址方式寻址方式 形式地址形式地址 有效地址有效地址 第28页下面介绍几个计算机中惯用基本寻址方式。下面介绍几个计算机中惯用基本寻址方式。1 1马上寻址马上寻址指令中给出不是通常意义上操作数地址，而是操作数本身，也就是指令中给出不是通常意义上操作数地址，而是操作数本身，也就是说数据就包含在指令中，只要取出指令，也就取出了能够马上使用操作说数据就包含在指令中，只要取出指令，也就取出了能够马上使用操作数。在取指令时，操作码和操作数被同时取出，无须再次访问主存，从数。在取指令时，操作码和操作数被同时取出，无须再次访问主存，从而提升了指令执行速度。不过，因为操作数是指令一部分，不能被修改，而提升了指令执行速度。不过，因为操作数是指令一部分，不能被修改，而且马上数大小受到指令长度限制，所以这种寻址方式灵活性最差，通而且马上数大小受到指令长度限制，所以这种寻址方式灵活性最差，通惯用于给某一存放器或主存单元赋初值或提供一个常数。惯用于给某一存放器或主存单元赋初值或提供一个常数。OPOP马上数马上数第29页2存放器寻址存放器寻址指令地址码部分给出某一个通用存放器编号，这个指定存放器中存放着操作数。操作数S与存放器Ri关系为：S=(Ri)存放器寻址含有两个显著优点：从存放器中存取数据比从主存中快得多；因为存放器数量较少，其地址码字段比主存单元地址字段短得多。第30页3 3直接寻址直接寻址指令中地址码字段给出地址指令中地址码字段给出地址A A就是操作数有效地址，即形式地就是操作数有效地址，即形式地址等于有效地址：址等于有效地址：EA=AEA=A。因为这么给出操作数地址是不能修改，。因为这么给出操作数地址是不能修改，与程序本身所在位置无关，所以又叫做绝对寻址方式。与程序本身所在位置无关，所以又叫做绝对寻址方式。操作数操作数S=(A)S=(A)这种寻址方式不需作任何寻址运算，简单直观，也便于硬件这种寻址方式不需作任何寻址运算，简单直观，也便于硬件实现，但地址空间受到指令中地址码字段位数限制。实现，但地址空间受到指令中地址码字段位数限制。第31页4 4间接寻址间接寻址间间接接寻寻址址意意味味着着指指令令中中给给出出地地址址A A不不是是操操作作数数地地址址；而而是是另另一一个个地地址址地地址址时时，所所使使用用寻寻址址方方式式称称为为间间接接寻寻址址方方式式。间间接接寻寻址址方方式式又又能能够够分分为为存存放放器器间间接接寻寻址址方方式和存放器间接寻址方式。式和存放器间接寻址方式。存放器间接寻址方式存放器间接寻址方式在在这这种种寻寻址址方方式式中中，操操作作数数在在主主存存中中，指指令令中中给给出出存存放放操操作作数数地地址址存存放放器器编编号号。其其寻寻址址过过程程为为：先先依依据据指指令令中中给给出出存存放放器器编编号号，取取出出该该存存放放器器中中地地址址，然然后再找到这个地址所对应内存单元，取出操作数即可。后再找到这个地址所对应内存单元，取出操作数即可。操作数操作数S=(R)第32页 存放器间接寻址方式存放器间接寻址方式在在这这种种寻寻址址方方式式中中，指指令令中中给给出出存存放放操操作作数数地地址址存存放放单单元元地地址址。存存放放操操作作数数地地址址存存放放单单元元，称称为为间间址址单单元元。其其寻寻址址过过程程为为：先先依依据据指指令令中中给给出出间间址址单单元元地地址址，取取出出存存放放器器中中该该单单元元值值，这这个个值值是是操操作作数数在在存存放放器器中中地地址址值值，然然后再依据这个地址找到所对应内存单元，取出操作数即可。后再依据这个地址找到所对应内存单元，取出操作数即可。操作数操作数S=(A0)第33页5 5变址寻址方式变址寻址方式把变址存放器把变址存放器RxRx内容与指令中给出形式地址内容与指令中给出形式地址A A相加，形成操作数有效相加，形成操作数有效地址，即地址，即EA=(Rx)+AEA=(Rx)+A。RxRx内容称为变址值。形式地址为基准地址，变址存内容称为变址值。形式地址为基准地址，变址存放器提供偏移量放器提供偏移量S=(Rx)+A)S=(Rx)+A)第34页6 6基址寻址基址寻址与变址寻址类似，但在基址寻址中，基址存放器与变址寻址类似，但在基址寻址中，基址存放器RbRb提供基准地址，形式地址为提供基准地址，形式地址为偏移量，基址存放器偏移量，基址存放器RbRb内容加上指令格式中形式地址而形成操作数有效地址，即内容加上指令格式中形式地址而形成操作数有效地址，即EA=(Rb)+AEA=(Rb)+AS=(Rb)+A)S=(Rb)+A)7 7相对寻址相对寻址把程序计数器把程序计数器PCPC内容加上指令格式中形式地址而形成操作数有效地址。内容加上指令格式中形式地址而形成操作数有效地址。EA=（PC）+A 第35页(四四)指令类型指令类型 一一台台计计算算机机指指令令系系统统通通常常有有上上百百条条或或几几百百条条指指令令，从从它它们们所所完完成成功功效效来看，一个较为完善指令系统，应具备以下各类指令：来看，一个较为完善指令系统，应具备以下各类指令：1 1数据传送类指令数据传送类指令这这类类指指令令功功效效是是实实现现存存放放器器与与存存放放器器，存存放放器器与与存存放放单单元元以以及及存存放放单单元元与与存存放放单单元元之之间间数数据据传传送送。数数据据传传送送指指令令主主要要包包含含取取数数指指令令、存存数数指指令令、传传送送指指令令、成成组组传传送送指指令令、字字节节交交换换指指令令、清清累累加加器器指指令令、堆堆栈栈操操作作指指令令等等。等等。2 2算术运算指令算术运算指令这这类类指指令令包包含含二二进进制制订订点点加加、减减、乘乘、除除指指令令，浮浮点点加加、减减、乘乘、除除指指令令，求求反反、求求补补指指令令，算算术术移移位位指指令令，算算术术比比较较指指令令，十十进进制制加加、减减运运算指令等。这类指令主要用于定点或浮点算术运算。算指令等。这类指令主要用于定点或浮点算术运算。第36页3 3逻辑运算指令逻辑运算指令这这类类指指令令包包含含逻逻辑辑加加、逻逻辑辑乘乘、逻逻辑辑比比较较、测测等等指指令令、按按位位加加、逻逻辑辑移移位位等等指指令令，主主要要用用于于无无符符号号数数位位操操作作、代代码码转转换换、判判断断及及运运算算。移移位位指指令令用用来来对对存放器内容实现左移、右移或循环移位。存放器内容实现左移、右移或循环移位。4 4程序控制指令程序控制指令程程序序控控制制指指令令也也称称转转移移指指令令。执执行行程程序序时时，有有时时机机器器执执行行到到某某条条指指令令时时，出出现现了了几几个个不不一一样样结结果果，这这时时机机器器必必须须执执行行一一条条转转移移指指令令，依依据据不不一一样样结结果果进进行行转转移移，从从而而改改变变程程序序原原来来执执行行次次序序。这这种种转转移移指指令令称称为为条条件件转转移移指指令令。除除各各种种条条件件转转移移指指令令外外，还还有有没没有有条条件件转转移移指指令令、转转子子程程序序指指令令、返返回回主主程程序序指指令令、中止返回指令等。转移指令转移地址普通采取直接寻址和相对寻址方式来确定。中止返回指令等。转移指令转移地址普通采取直接寻址和相对寻址方式来确定。5 5输入输出指令输入输出指令输入输出指令主要用来开启外围设备，检验测试外围设备工作状态，并实输入输出指令主要用来开启外围设备，检验测试外围设备工作状态，并实现外部设备和现外部设备和CPU之间，或外围设备与外围设备之间信息传送。之间，或外围设备与外围设备之间信息传送。第37页6 6字符串处理指令字符串处理指令字字符符串串处处理理指指令令是是一一个个非非数数值值处处