第三章----指令系统PPT课件

一、指令的基本格式
指令格式，是指令用二进制代码表示的结构形式，通常有 操作码字段和地址码字段组成。操作码表示指令的操作特性和 功能，而地址码通常指定参与操作的操作数的地址，故指令基 本格式如下：
OP
A
1、操作码
操作码字段的位数取决于指令系统的规模，例如，只有8条
指令的指令系统，OP字段有3位就够了，如果系统包含32条指令，
则OP字段需要5位操作码。一般来说一个包含n位的操作码能够
表示2n条指令。
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2、地址码
根据一条指有三地址指令、二地址指令、一地址指令和零地 址指令格式：
OP
OP
A
OP
A1
A2
OP
A1
A2
A3
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三、MIPS算术运算指令
❖ 1、加法指令 add rd, rs, rt
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例如： 计算 a=b+c+d+e；
add a，b，c ＃ b + c的和存放在a中 add a，a，d ＃ b + c + d的和已存放在a中 add a，a，e ＃ b + c + d + e的和已存放在a中
2、减法指令 sub rd, rs, rt
#注释
例3.1 把两个C语言赋值语句编译成MIPS汇编指令
下面这段C语言代码包含5个变量a, b, c, d, e：
a = b + c;
d = a – e;
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【解答】 add a, b, c sub d, a, e
# a=b+c #d=a–e
例3.2 把一个复杂的C语言赋值语句编译成MIPS汇 编指令
f = (g + h) – (i + j);
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【解答】 add t0, g, h ＃ 临时变量t0=g + h的和 add t1, i, j ＃ 临时变量t1=i + j的和
最后做减法，把差放在f中： sub f, t0, t1 ＃ f=t0 - t1的值
完成一个类似于加法的操作需要3个操作数：2个数参与 运算，1个数存放结果。每条指令刚好包含3个操作数，不多 也不少，这是遵循简化硬件的原则，因为操作数的个数不定 的硬件实现比个数固定的硬件实现复杂得多。这就是硬件设 计要考虑的第一条原则：
三、MIPS简介
1、处理器的缩写
① Million Instruction Per Second，泛指每秒能执行百万条指令的处理器
② Microprocessor without Interlocking Pipeline Stage， 一种无内锁的流水线微处理器
2、MIPS公司
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3.2 计算机硬件的操作指令
第三章 指令系统
3.1 概述 3.2 计算机硬件的操作 3.3 计算机硬件的操作数 3.4 指令的计算机内部表示 3.5 决策指令 3.6 计算机硬件对过程的支持 3.7 计算机对字符的处理（略去） 3.8 MIPS的其他寻址方式
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3.1 概述
要给计算机硬件直接下命令，就必须使用机器 的语言。机器语言中的“单词”称为指令，其“词 汇表”称为指令集。本章将介绍现实中计算机所使 用的指令集系统。
通过学习机器指令，你会了解到计算机中的 一个重要概念：存储程序（stored-rogram）
着重介绍的是MIPS指令集 ，涉及到MIPS指令的操 作数、指令格式及指令类别
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一、指令系统的发展
1、CISC---复杂指令系统计算机
Complex Instruction Set Computer，20世纪60年代后期，随 着IC、LSI、VLSI的出现和发展，计算机硬件成本不断下降，人们热 衷于在指令系统真增加更多的指令和复杂的指令，来提高操作系统的 效率，促使指令系统越来越复杂，这一时期的计算机称为CISC。
#注释
①每条指令只执行一个操作，并且有且只有三个变量 ②书写时，每一行只有一条指令，注释放在行尾，由#号引出 ③该指令执行rd=rs+rt的操作
例如：add a, b, c ＃ b + c的和存放在a中
其中 add称操作符， 表示加运算；紧跟add的a是目的操作 数， 即为结果，其余b、c表示源操作数。每条指令中由 “＃” 号领头的部分是注释。
MIPS寄存器汇编符号记为$s0、$s1、 $s2、$s3 …$s7， 对应编码为:16、17、… 23； 以及$t0、$t1、 $t2、 $t3 …$t7，对应编码为:8、9、… 15。
寄存器和编程语言的变量的一个主要区别是，寄存器数
量有限，现在的计算机中一般是32个。MIPS也只有32个寄 存器。为什么限于32个寄存器?
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二、RISC的特点
1、优先选取一些使用频率最高的简单指令，以及一些很有用但不 复杂的指令，避免复杂指令。
2、指令长度固定，指令格式种类少，寻址方式种类少，指令各字 段的划分比较一致，各字段功能较规整。
3、只有存数、取数指令访问存储器，其余指令的操作都在寄存器 之间进行。
4、CPU中通用寄存器数量较多。
设计原则1：简单性来自规则性。（Simplicity favors
regularity. ）
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3.3 计算机硬件的操作数
计算机硬件的操作数放在什么地方?
❖ cpu的寄存器（register） 中---寄存器操作数 寄存器是建造计算机的基石，因为它们是硬件设计中用到
的基本单元，对于程序员也是可见的，但其数量有限。
2、RISC---精简指令系统计算机
Reduced Instruction Set Computer ，1975年IBM公司开始研 究指令系统的合理性问题，IBM的John Cocke提出精简指令的想法， 本书作者David A. Patterson创造了RISC一词，并定义了其含义，后 来John L. Hennessy带领他在斯坦福的研究小组研制成功MIPS机， 精简指令系统计算机从此诞生并发展起来。
❖ 存储器中---存储器操作数 复杂数据结构，如数组、结构体等包含大量数据元素，不
可能映射到数量有限的寄存器上，只能存储到存储器中。
❖ 指令中---立即数
有些操作数直接与指令存放在一起，称为立即数，而
MIPS中专门设置有一些立即数指令，如addi，slti等。
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一、MIPS的寄存器
在MIPS体系结构中，一个寄存器的长度是32位；又称 32位为字长。MIPS体系中的数据字、指令字都是32位。