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W343-计算机组成-Chapter2 指令系统 (2)

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计算机系统结构02指令系统(数据表示)

计算机系统结构02指令系统(数据表示)
6
2.1.2 浮点数据的表示方法
r 一、浮点数的表示方式： Nm e m
（1）两个数值 尾数m：数制(小数或整数)和码制(原码或补码)。 阶码e: 整码，移码(偏码、增码、余码)或补码。
（2）两个基值：
尾数基值rm：2、4、8、16和10进制等。
阶码基值re:通常为2进制。
（3）两个字长：长度和物理位置，均不包含符号位 尾数长度p： 尾数部分按基值计算的长度 阶码长度q : 阶码部分的二进制位数。
二进制字长：L2= kp2+q2+2
由于F1和F2二进制字长相同，即L1= L2，得
p1+q1 =kp2+q2 （2.1)
24
字长和表数的范围确定时，尾数基值与标数精 度的关系
F1的表数范围是：|N1max|22q1
F2的表数范围是：|N2max|(2k)2q2
F1和F2的表数的范围相同，得到：2q1 k2q2
(rm, p) 2 m
(rm) rm1
rm
在字长确定的情况下，如何选择尾数基值rm，
使表数范围最大、表数精度和表数效率最高。
23
2.浮点数尾数基值的选择 假设有两种表示方式F1和F2，它们二进
制字长相同，尾数都用原码或补码、小 数表示，阶码都用移码、整数表示，阶 码的基值均为2，尾数基值不同。 浮点数表示方式F1：rm1=2,p1,q1, 二进制字长：L1= p1+q1+2 浮点数表示方式F2：rm2=2k,p2,q2,
浮点数的存储方式如下：
1位 1位
q位
p位
mf ef
e
m
注：mf 为尾数的符号位，ef 为阶码的符号位，e 为阶码的值，m 为尾数的值。9

《指令系统》课件

《指令系统》课件
随着应用需求的多样化，指令系统的多样性也在不断发展 。
不同的指令系统针对不同的应用领域进行优化，以满足各 种复杂的应用需求。
例如，针对高性能计算领域的处理器，其指令系统会更加 注重浮点运算和并行处理；针对嵌入式领域的处理器，其 指令系统会更加注重低功耗和实时性。
指令系统与其他技术的融合
随着技术的发展，指令系统与其他技术 的融合成为一种趋势。
为了减少访问主存的延迟，指 令系统使用缓存来存储经常访 问的数据和指令。通过缓存管 理技术，系统可以更快地访问 这些数据和指令。
为了降低能耗和提高能源效率 ，指令系统采用了一系列节能 技术，如动态电压调节、动态 频率调节、休眠模式等。
为了提高系统的安全性，指令 系统可以提供加密和解密功能 ，保护数据的机密性和完整性 。此外，还可以通过权限控制 和访问控制机制来限制对敏感 资源的访问。
03 指令系统的实现方式
汇编语言实现指令系统
汇编语言概述
汇编语言是一种低级语言，与机器语言有很高的相似度。 它使用助记符表示指令，易于理解和编写。
汇编指令系统
汇编语言中的指令系统通常与特定的处理器架构相关联， 包括算术、逻辑、控制和输入/输出指令。
汇编程序
汇编程序是一种将汇编语言代码转换为机器语言的编译器 。它逐条将汇编指令翻译为对应的机器码，并生成可执行 文件。
例如，与人工智能技术的融合，使得处 理器能够更好地支持人工智能算法和应 用；与网络技术的融合，使得处理器能 够更好地支持云计算和边缘计算等应用
。
通过与其他技术的融合，指令系统的功 能和应用领域得到了进一步拓展，同时
也促进了相关技术的发展和创新。
谢的任务， 确保各个任务按照预定的顺序或优先级执行 。
D

微型计算机原理第三章 指令系统-2

微型计算机原理第三章 指令系统-2
他们分别执行字或字节的加法和减法运算， 除INC和DEC不影响CF标志外，其他按定 义影响全部状态标志位 操作数组合：
运算指令助记符 reg, imm/reg/mem 运算指令助记符 mem, imm/reg

ADD dest,src ；加法：dest←dest＋src
；ADD指令使目的操作数加上源操作数， 和的结果送到目的操作数
对段寄存器的操作不灵活
MOV指令传送功能图示
立即数
存 储 器 MOV指令也并非任意传送!
通用寄存器 AX BX CX DX BP SP SI DI
段寄存器 CS DS ES SS
非法指令的主要现象： 两个操作数的类型不一致 无法确定是字节量还是字量操作 两个操作数都是存储器 段寄存器的操作有一些限制
寄存器具有明确的字节和字类型
MOV指令－－存储器传送

mov al,[bx] ；al←ds:[bx] mov dx,[bp] ；dx←ss:[bp+0] mov dx,[bp+4] ；dx←ss:[bp+4] mov es,[si] ；es←ds:[si]
不存在存储器向存储器的传送指令
MOV指令－－段寄存器传送 mov [si],ds mov ax,ds ；ax←ds mov es,ax ；es←ax←ds
pop ax pop wvar
小结：堆栈操作的特点
堆栈操作的单位是字，进栈和出栈只对字量 字量数据从栈顶压入和弹出时，都是低地址字
节送低字节，高地址字节送高字节
堆栈操作遵循先进后出原则，但可用存储器寻
址方式随机存取堆栈中的数据
堆栈段是程序中不可或缺的一个内存区，常用
来

临时存放数据 传递参数 保存和恢复寄存器

计算机系统结构 第二章(指令系统)

计算机系统结构 第二章(指令系统)

本章内容>>数据表示 >>浮点数数据表示
浮点数格式
两个符号： mf :尾数符号 e f :阶码符号 1位 mf 1位 ef
N mr
q位 e
两个数值： e m :尾数的值 m e :阶码的值 p位 m 两个字长： p :尾数的长度
两个基： rm :尾数的基 re :阶码的基
分析:当R＞3时有 BY/BX < 1。 在实际应用中经常是R ＞10。 同济大学.电子与信息工程学院.计算机科学与工程系
本章内容>>数据表示 >>自定义数据表示
5 之 1
数据描述符表示法
思想
对于许多连续存放的同属性数据，例如：向 量、矩阵、多维数组等，可以采用一个数据描述 符作用于这样的一组数据，而没有必要让每个数 据都带标志符。
《Computer Architecture》V3
答: 程序在X中的存储空间： 程序在Y中的存储空间：
BY 30I
30I
2 32I BX 32I R
2 35I R
二者的比值为：
BY BX
2 35I 15R 35 R 2 32I 16R 32 32I R
《Computer Architecture》V3 同济大学.电子与信息工程学院.计算机科学与工程系
本章内容>>数据表示
2 之 1
基本数据表示
内容 定点数、浮点数、十进制数、逻辑数、字符等。 目的 支持数据结构，提高系统效率和性能/价格。 设计 根据应用需求，设计各种参数、指标。 举例 浮点数数据表示的设计。
浮点数尾数下溢 的处理
问题 在浮点数操作（相加、相 乘、右移等）过程中产生的 下溢会造成精度的损失。 解决 设计下溢处理方法，有多 种方法，不同的方法有不同 的优点和缺点，其出发点和 应用场合也不一样，应根据 需要进行选择。

C54x第二章 指令系统

C54x第二章 指令系统

利用ADDS实现 位数据装入 实现32位数据装入 利用 实现
ld ld #0,dp ; 设置数据页指针
@60h,16,a ; 将60H的内容装如 的高 位 的内容装如A的高 的内容装如 的高16位 ; 将61H的内容加到 的低 位 的内容加到A的低 的内容加到 的低16位 ; 直接装入 位到 寄存器， 直接装入32位到 寄存器， 位到B寄存器 ；等同于前两条语句
实现16位定点加法 实现 位定点加法
• ‘C54X中提供了多条用于加法的指令， 中提供了多条用于加法的指令， 中提供了多条用于加法的指令 如ADD，ADDC，ADDM和ADDS。其 ， ， 和 。 用于无符号数的加法运算， 中ADDS用于无符号数的加法运算， 用于无符号数的加法运算 ADDC用于带进位的加法运算（如32位 用于带进位的加法运算（ 用于带进位的加法运算 位 扩展精度加法），而ADDM专用于立即 扩展精度加法），而 专用于立即 ）， 数的加法。 数的加法。
第二பைடு நூலகம் 指令系统
以下为一些常用指令，希望大家对各指令有所了解。 以下为一些常用指令，希望大家对各指令有所了解。 TMS320C54x的指令集有近两百条指令，按功能分为 的指令集有近两百条指令， 的指令集有近两百条指令 如下几类：
•算术运算指令 •逻辑运算指令 •程序控制指令 •装入和存储指令
一、算术运算指令
2、 、 减 法 指 令
实现16位定点减法 实现 位定点减法
• ‘C54X中提供了多条用于减法的指令，如 中提供了多条用于减法的指令， 中提供了多条用于减法的指令 SUB，SUBB，SUBC和SUBS。其中 ， ， 和 。其中SUBS 用于无符号数的减法运算， 用于无符号数的减法运算，SUBB用于带 用于带 进位的减法运算（ 进位的减法运算（如32位扩展精度的减 位扩展精度的减 法），而SUBC为移位减，DSP中的除法 ），而 为移位减， 中的除法 为移位减 就是用该指令来实现的。 指令与ADD 就是用该指令来实现的。SUB指令与 指令与 指令一样，有许多的寻址方式。 指令一样，有许多的寻址方式。

计算机系统结构--指令系统

计算机系统结构--指令系统

l 浮点数表示方式的表数效率：
l η＝－可－－表－示－的－－规－格－化－浮－－点－数－的－－个－数＝－－2－⋅－(r－m－−－1－)－⋅r－m－p－−1－⋅－2⋅－r－e－q +－1－－
全部的浮点个数 rm-1
2 ⋅ rm p ⋅ 2 ⋅ req
=-----------r-m----------
表数的效率
u支持高级语言，有利于编译
u程序代码量短
压栈
弹栈
u支持嵌套和递归
u其它，中断等 栈顶
2.2.4 间接寻址和变址寻址
l 间接寻址与变址寻址 l 举例： l 将N个元素的数组从一块内存搬到另一块
内存
AS
AS
2.2.4 间接寻址和变址寻址
l Start: move asr,asi
;保存源数组起始位置
l
move adr,adi ;保存目标数组起始位置
Win,Linux Operating
System
BIOS
Processor Memory I/O system
I/O system Memory Processor
Datapath & Control
Digital Design Circuit Design
transistors Semiconductor..
1
1
q
p
mf
ef
e
m
l M的最后一位不可信，是通过舍入得到 的
l 不同的进制具有不同的精度 l 当二进制时精度最高
表数的效率
l 尾数最高位不为零的浮点数称为规格化浮点 数。机器零除外
l 规格化浮点数表示精度最高
l 浮点的存储以及运算的结果要规格化 l 运算过程中可能出现非规格化浮点数，---冗余

计算机组成原理-指令系统


1 2
早期计算机的指令系统
以简单指令为主，操作码短，地址码少，寻址方 式简单。
现代计算机的指令系统
以复杂指令为主，操作码长，地址码多，寻址方 式多样化。
3
未来计算机的指令系统
随着技术的发展，指令系统将更加智能化、自动 化和个性化。
02
指令的格式与寻址方式
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
指令的格式
操作码字段
表示指令的操作类型，如加、减、乘、除等。
提高指令执行速度
优化操作码与地址码的设计，可以减少指令的解码 时间，从而提高指令的执行速度。
支持更多的操作和寻址方 式
通过扩展操作码和优化地址码的设计，可以 支持更多的操作和寻址方式，从而增强指令 系统的功能和灵活性。
04
指令系统的功能与性能分析
指令系统的功能分析
指令集架构
定义了计算机的基本操作和功能，包括数据类型、 操作码、寻址方式等。
指令执行单元
指令执行单元是计算机硬件的核心组件之一，负责执行解码后的指令。它包括算术逻辑单元 （ALU）、控制单元（CU）和寄存器文件等组件。
指令系统的软件实现技术
汇编语言
汇编语言是一种低级语言，与机器语言相对应。它使用助记符表示指令，方便程序员编写底层程 序。汇编语言编译器将汇编语言程序转换成机器语言程序。
能技术的发展，指令系统将更加注重智能优化能力，以提高程序的执行
效率和准确性。
06
指令系统实例分析
x86指令系统实例
指令集特点
x86指令系统是复杂指令集计算机（CISC）的代表，指令数量庞大， 寻址方式多样，支持多种数据类型和操作。
指令格式
x86指令格式多样，包括单字节、双字节和多字节指令，以及可变 长度的指令。

第2章 指令系统

(8) LD #lk [，SHFT]，dst
功能: dst = #lk<<SHFT 将长立即数lk移位后， 送入累加器A或B。
(9) LD #lk，16，dst
功能: dst = #lk<<16 将长立即数lk左移16位 后，送入累加器A或B。
8
第2章 指令系统
1.指令系统中的符号和缩略语
序号
41 42 43 44 45 46 47 48 49 50
2019/11/24
符号
n N OVA OVB OVdst OVdst_ OVsrc OVM PA PAR
含
义
XC指令后面的字数，取1或2 指定状态寄存器，N=0为ST0，N=1为ST1 ST0中的累加器A溢出标志 ST0中的累加器B溢出标志 指定目的累加器(A或B)的溢出标志 指定与Ovdst相反的目的累加器的溢出标志 指定源累加器(A或B)的溢出标志 ST1中的溢出方式位 16位立即端口地址(0PA65535) 程序存储器地址寄存器
2019/11/24
DSP原理及应用
19
第2章 指令系统
1.装载指令 即取数或赋值指令，用于将存储器内容或立即
数赋给目的寄存器，共计21条。
格式: 操作码 源操作数 [,移位数] ,目的操作数
功能: 源目操的作操数作按数DLLLLL移指LDDDDTDMRUD位定dTDA数的sPStM进寄累暂累位RLSX####行存AmmmKlkk加存加方MeeeK95页移器mmm器器器式指SSD小195位。移位A位位AAA6或针于RRR位,立立AAAB将9长MMM位 即 即中 中 中移立1TSS的数数的的的6SHH即位-IF短3111-16FT数266结616位T立位位位位64果移位5即数数数S移位TH位移数据据据SI送位移F数位T3入数位1数1数5

微型计算机原理第三章 指令系统2PPT课件

；word ptr 说明是字操作
12
非法指令－－两个操作数都是存储器
➢ 8088指令系统除串操作指令外，不允许两个操作 数都是存储单元（存储器操作数） MOV buf2, buf1 ；非法指令，修正： ；假设buf2和buf1是两个字变量 ；mov ax,buf1 ；mov buf2,ax ；假设buf2和buf1是两个字节变量 ；mov al,buf1 ；mov buf2,al
第三章 指令系统
指令系统部分
1
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总体概述
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2
2、指令系统
1、数据传送指令
数据传送是计算机中最基本、最重要的一种操作, 传送指令也是最常使用的一类指令
传送指令把数据从一个位置传送到另一个位置 除标志寄存器传送指令外，均不影响标志位 重点掌握
；指令存在，但不Movzx 有效地址传送指令：LEA 指针传送指令：LES LDS 标志寄存器传送指令：LAHF SAHF 字节交换指令：BSWAP
15
交换指令XCHG（exchange） 把两个地方的数据进行互换
XCHG reg,reg/mem；reg reg/mem 寄存器与寄存器之间对换数据 寄存器与存储器之间对换数据 不能在存储器与存储器之间对换数据
11
非法指令－无法确定是字节量还是字量操作
➢ 当无法通过任一个操作数确定是操作类型时，需 要利用汇编语言的操作符显式指明 MOV [BX+SI], 255 ；非法指令，修正：
；mov byte ptr [bx+si],255
；byte ptr 说明是字节操作

计算机组成原理指令系统讲课文档


常数或地址
常数 address address
3. RAM的指令格式——32位嵌入式处理器
ARM指令集的一种指令格式
cond F
I opcod S Rn Rd operand
e
2
4位 2位 1位 4位 1位 4位 4位 12位
4. Pentium指令格式
指令字长度可变：112字节，典型的CICS结构
指令寻址方式比较简单；数据寻址方式比较复杂
指令的寻址方式
一种是顺序寻址方式
另一种是跳跃寻址方式
第二十四页，共55页。
目录
1. 顺序寻址方式 (PC)＋1 －＞ PC
内存
PC
100
100
设置程序计数器(指令指针寄存器)PC对指令的顺序号 +1
101
计数，该顺序号就是指令在内存中的地址
2. 跳跃寻址方式 目标地址－＞PC
第七页，共55页。
高级语言与低级语言的比较
比较内容 1 对程序员的训练要求：
(1) 通用算法 (2) 语言规则 (3) 硬件知识 2 对机器独立的程度 3 编制程序的难易程度 4 编制程序所需时间 5 程序执行时间 6 编译过程中对计算机资源 (时间和存储容量)的要求
高级语言
有 较少 不需要 独立 易 短 较长 多
第九页，共55页。
目录
关于地址码个数的有关说明
(1)零地址指令
操作码
两种情况：
一是该指令不需要操作数，如NOP指令 二是操作数隐含，如DAA操作数隐含于累加器AC中
(2)一地址指令(单操作数指令)
操作码
Ａ1
也有两种情况：
一是指令本身只需要一个操作数，如NOT指令 二是被操作数和结果隐含于累加器AC中
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r CISC计算机存在的主要问题 ¦仅有约20%的指令使用频度比较高，这些指令占据了 80%的CPU时间
大量不经常使用的指令导致计算机硬件非常复杂，使得计算 机研制周期变长，难以调试、维护且可靠性差。

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r 指令由操作码和地址码组成 r 操作码字段指出指令的操作性质，即指令要完成的功能 r 地址码字段指出操作数的地址，即指令操作对象（或结果
r 地址
¦ 操作数或指令被存放在数据存储设备的位置编码 ¦ 主要数据存储设备有通用寄存器、主存储器和I/O设备 ¦ 地址可以被认为是一个无符号整数
r 数字
¦ 计算机处理的最基本操作数类型 ¦ 计算机中常用的数字类型有定点数、浮点数等
r 字符
¦ 在非数值计算领域表示和处理文本信息 ¦ 将字符数字化表示，比如ASCII码

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Computer Organization

2020. 秋 西安交通大学 计算机科学与技术系
计算机组成原理课程组
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r 程序控制指令 ¦无条件转移指令 ¦条件转移指令 ¦调用与返回指令 ¦陷阱指令
r 输人/输出（I/O）指令 r 其它指令

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… …
… …
高位
低位
（a）低字节低地址 小端方式
高位
低位
（b）高字节低地址 大端方式
思考：高级语言程序定义的不同类型数据，如何在主存中存储和访问？

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r 数据类型指面向应用或者软件系统所处理的各种数据结构 ¦基本数据类型：整数、实数、布尔数、字符等 ¦复杂数据类型：文件、图、表、树、阵列、队列、链 表、栈、向量等
编址方式是指主存单元的地址编排方式。编址方式决 定了主存最小访问单位。
r 按字编址方式 ¦主存的最小编址单位是一个字，通常，存储字长=机器 字长 ¦对主存数据的访问以字为单位 ¦主存容量=存储字数×存储字长，单位为字（Word） 或位（bit） eg. 128M ×32位
按字编址方式对应用来说不够灵活和方便，特别是在 非数值计算应用领域。

Copyright ©2012 Computer Organization Group. All rights reserved.Fra bibliotek 按字节编址方式
¦主存的最小编址单位是一个字节，描述主存储容量时 ，以字节（Byte，B）为单位。
¦对主存数据既能以字节为单位访问，也能以字为单位 访问。

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指令系统经历了从简单到复杂，然后又从复杂到简
单的演变过程。
r 从简单到复杂 ¦50~60年代：电子管或 晶体管计算机 ²硬件结构比较简单 ²仅有十几至几十条基本指令，且寻址方式简单
边界对齐方式
2次存储器访问
规定了各种数据类 型存放的起始位置
边界不对齐方式
通常，按字节编址的机器硬件都支持边界不对齐方式，为了保证程序 执行速度，软件可以选择采用对齐或不对齐方式。

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r 逻辑数
¦ n位二进制数的组合，但各位之间可以没有任何关系 ¦ 用于逻辑运算

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计算机中主要的数据存储设备有通用寄存器、主存

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r 完备性——功能需求 ¦CISC指令系统的主要特点 ¦RISC指令系统不强调完备性
r 规整性——硬、软件设计需求 ¦对称性：寻址方式 ¦匀齐性：数据类型 ¦一致性：指令格式和数据格式
r 高效性——性能需求 ¦CISC：完善指令系统功能，减小程序中指令的条数 ¦RISC：降低每条指令的执行时间
r 兼容性——性能需求
储器和 I/O 设备，它们各自都包含多个可编址的数据单 元。对这些单元可以统一编址或者单独编址。
主存 寄存器 I/O
寄存器 主存+ I/O 主存+ 寄存器+ I/O
三个地址空间
二个地址空间
一个地址空间
思考：不同地址空间对指令系统设计和硬件设计的影响？

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）所在的位置，或者下一条指令在主存储器中的地址。
指令格式：
操作码
地址码

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指令字长指一条指令中包含的二进制码位数。它取决 于操作码的长度、地址码的长度和地址码的个数。
r RISC计算机的特点 ¦优先选取使用频率较高的简单指令 ¦指令长度固定，指令格式种类少，寻址方式种类少 ¦只有取数／存数指令访问存储器 ¦CPU中通用寄存器数量相当多 ¦CPU采用流水线结构，大部分指令可以在一个时钟周 期内完成
¦控制单元设计以硬布线控制逻辑为主 ¦采用编译优化技术，以减少程序执行时间
r 确定操作数类型的原则 ¦有利于缩短程序的运行时间 ¦有利于减少CPU与主存储器之间的通信量 ¦数据表示应具有通用性和较高利用率

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字地址
主存储器
0 字节3 字节字2单字元节1 字节0 4 字节7 字节字6单字元节5 字节4 8 字节11 字节字10单字元节9 字节8
字地址
主存储器
0 字节0 字节字1单字元节2 字节3 4 字节4 字节字5单字元节6 字节7 8 字节8 字节字9单字元节10 字节11
¦70年代末期：超大规模集成电路计算机 ²硬件成本下降，软件成本提高 ²指令系统更加复杂和完备，指令数目可达300～500 条，寻址方式也多样化

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r 指令系统是指一台计算机所具有的全部机器指令的集 合，它反映了该机所拥有的基本功能。
r 指令系统是计算机硬件的语言系统，也被称为机器语言。
r 指令系统是软件和硬件的主要交界面，也是计算机软 件设计者和硬件设计者之间沟通的桥梁。
r 指令系统决定了机器硬件所具有的能力，也决定指令 的格式和机器的硬件结构。
¦当按字节访问主存时，使用字节地址；当按字访问主 存时，使用字地址（边界对齐）。
¦通常，机器字长是字节2n倍，字节地址是连续的，字地 址是不连续的。
¦多个字节数据存放在一个字单元，有两种编址顺序： 低字节低地址（小端方式）、高字节低地址（大端方 式）；也有存放边界问题：边界对齐、边界不对齐。

¦60年代中期：集成电路计算机 ²硬件功耗、体积、价格下降，功能增强 ²指令数达100～200条，寻址方式多样化

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¦60年代后期到70年代中期：半导体存储器出现 ²系列计算机诞生 ²新推出的机种指令系统包含旧机种的全部指令，旧 机种上运行的各种软件可以不加修改便可在新机种 上运行，即软件向后兼容
所谓操作类型就是把指令系统按功能进行分类。一般
指令系统包含 5 大类指令。
r 数据传送指令 r 数据运算指令
¦算术运算指令 ¦逻辑运算指令 ¦移位指令 ¦位操作指令

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r 指令系统也直接影响到软件的结构、复杂度和性能。
r 指令系统的设计由体系结构设计者完成；指令系统的逻辑 实现是计算机组成的研究范畴。

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