计算机组成原理-指令系统.ppt

### 计算机组成原理之指令系统概述 #### 一、指令系统的发展与演变 ##### 1.1 指令系统的定义与分类 - **指令**：是计算机执行特定任务的基本单位，由一系列二进制编码组成。 - **指令系统**：指的是计算机能够识别并执行的所有指令的集合。它按照不同的层次可以分为： - **微指令**：位于微程序级别的命令，通常用于控制硬件，属于硬件的一部分。 - **宏指令**：由多个机器指令或伪指令组成的软件指令，主要用于高级编程。 - **机器指令**：介于微指令与宏指令之间，每条指令可以完成一项独立的算术或逻辑操作。 ##### 1.2 指令系统的发展历程 - **50年代**：指令系统相对简单，主要包含定点加减、逻辑运算、数据传送、转移等基本操作。 - **60年代后期**：随着计算机技术的进步，增加了乘除、浮点运算等功能，并出现了字符串处理等高级功能。指令数量增加到一二百条，寻址方式也更加多样化。 - **70年代末期**：CISC（复杂指令集计算机）与RISC（精简指令集计算机）开始出现，标志着计算机指令系统的重大变革。 #### 二、CISC与RISC的区别及选择原因 ##### 2.1 CISC与RISC的特点 - **CISC**（Complex Instruction Set Computer）： - 特点：指令集庞大，可能包含数百条指令，导致设计周期长，难以调试和维护，同时也可能导致硬件资源的浪费。 - **RISC**（Reduced Instruction Set Computer）： - 特点：指令集精简，每条指令的功能单一，易于设计和优化，有助于简化控制器的设计。 ##### 2.2 从CISC向RISC转变的原因 - **指令执行的20-80规律**：即大约20%的指令被使用了80%的时间，这意味着大量的复杂指令实际上很少被用到。 - **降低设计难度**：RISC设计简化了控制器，提高了效率，使得设计过程更为简便。 #### 三、指令系统的性能要求 ##### 3.1 完善的指令系统应满足的条件 - **完备性**：提供丰富的指令集，覆盖各种计算需求。 - **有效性**：程序执行速度快，占用存储空间小。 - **规整性**：指令格式统一，数据处理方式一致。 - **兼容性**：新旧系统间指令兼容，支持“向上兼容”。 #### 四、指令格式与地址码 ##### 4.1 指令格式 - **指令字**：一条指令的二进制表示。 - **操作码**：指示指令的操作类型。 - **地址码**：指示操作数的位置或者直接包含操作数。 ##### 4.2 地址码的种类 - **零地址指令**：不需要显式指定操作数，如NOP（无操作）指令。 - **一地址指令**：指定一个操作数，另一个操作数隐含在累加器中，如NOT指令。 - **二地址指令**：两个操作数分别指定，例如加法操作。 - **三地址指令**：三个操作数均需指定，常用于高级语言的中间代码生成。 #### 五、低级语言与硬件结构的关系 ##### 5.1 高级语言与低级语言对比 - **高级语言**：接近自然语言，便于理解和编写，但与具体硬件结构无关。 - **低级语言**：直接对应硬件指令，效率高但难以编写和维护。 ##### 5.2 低级语言的优势 - **紧凑性**：编写的程序占用内存少。 - **速度**：执行速度快，适合编写与硬件紧密相关的系统软件。 #### 六、总结 指令系统作为计算机硬件和软件之间的桥梁，在计算机设计中占据着极其重要的地位。随着计算机技术的发展，指令系统也在不断地发展和完善，以适应新的应用需求和技术进步。无论是CISC还是RISC，都在不断探索如何提高指令执行效率，减少硬件资源的浪费，同时保持系统的兼容性和扩展性。