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计算机组成原理第5章 指令、指令系统和汇编语言程序设计第一页，共七十五页。 2 指令：是计算机运行的最小的功能单元，是指挥计算机硬件运行的命令，是由二进制位组成的位串，是计算机硬件可以直接识别和执行的一个信息体。指令用于程序设计人员告知计算机执行一个最基本运算、处理功能。 指令系统：一台计算机提供的全部指令构成该计算机的指令系统。多条指令可以组成一个程序，完成一项预期的任务。5.1 指令系统概述　 第二页，共七十五页。 3汇编语言层操作系统层指令系统层微体系结构层数字逻辑层高级语言层应用层 计算机系统的层次结构 指令系统层处在硬件系统和软件系统之间，是硬、软件之间的接口部分。 硬件系统负责用于实现每条指令的功能，解决指令之间的连接关系； 软件由按一定规则组织起来的许多条指令组成，完成一定的数据运算或者事务处理功能。 指令系统优劣是一个计算机系统是否成功的关键因素，同时也是设计一台计算机的起点和基本依据。微体系结构层软 件 系 统硬 件 系 统回顾：指令系统在计算机中的地位第三页，共七十五页。 4 设计指令系统的四点要求：完备性:指令齐全,编程方便。 规整性:指令和数据的使用规则统一简单，易学易记高效性:占内存少,运行省时。兼容性:同一系列机软件兼容对设计指令系统的要求 对指令系统的要求很严格，既要支持程序设计人员用它设计各种程序，越简单、方便越好(相同算法实现所需的指令少 )，又要容易在计算机中用硬件实现这些指令的处理功能，越节省、高效越好，但这两个方面的要求经常是有矛盾的。第四页，共七十五页。 53 个层次的程序设计语言 机器语言是计算机硬件能直接识别和运行的指令的集合,是二进制码组成的指令，用机器语言设计程序基本不可行。 汇编语言是对计算机机器语言进行符号化处理的结果,再增加一些为方便程序设计而实现的扩展功能。依赖编译器但效率很高。 高级语言又称算法语言，它的实现思路，不再是过分地“靠拢”计算机硬件的指令系统，而是着重面向解决实际问题所用的算法，瞄准的是如何使程序设计人员能够方便地写出处理问题和解题过程的程序，力争使程序设计工作的效率更高。对编译器的效率要求很高。 第五页，共七十五页。 6确定指令系统的两种思路 从降低硬件系统构成的复杂程度、提高指令执行的速度和并行性考虑，确定指令系统时有两种思路：CISC（Complex Instruction Set Computer）（intel x86) 通常称为复杂指令系统的计算机。其核心思想是：为了提高效率,让硬件做更多的事情。 其特点是：指令条数多，格式多样，寻址方式复杂，每条指令的功能强，优点是汇编程序设计容易些，但计算机控制器的实现困难多（Intel 4G 处理器的流产/Power PC），很多指令被使用的机会比较少。指令并行度差。RISC（Reduced Instruction Set Computer）(MIPS/POWER PC) 通常称为精简指令系统的计算机。约翰.科克( John Cocke ) 提出了著名的“20%-80%定律”(即只有20%简单的指令是经常使用的, 而其余80%的复杂指令却很少使用), 这是RISC技术的设计基础。其核心思想是：让软件做更多的事情，提高简单指令的执行效率。（Alpha 处理器） 提供数目较少、格式与功能简单、运行高效的指令，追求的是计算机控制器实现简单，运行高速，更容易在单块超大规模集成电路的芯片内制做出来。指令并行性好（多发射技术）。融合趋势 ：CISC和RISC融合的趋势第六页，共七十五页。 7CISC指令和RISC指令举例CISC架构乘法指令：MUL ADDRA, ADDRB 可以将内存地址为ADDRA和ADDRB中的数相乘并将结果储存在ADDRA中。它完成的操作首先将ADDRA, ADDRB中的数据读入寄存器，相乘和将结果写回内存的操作全部依赖于CPU中设计的逻辑来实现。 这种架构会增加CPU结构的复杂性和对CPU工艺的要求，但对于编译器的开发十分有利。比如上面的例子，C程序中的a*=b就可以直接编译为一条乘法指令。??? RISC架构只支持简单寄存器乘法指令MUL A, B 。 RISC上实现相同的功能：MOV A, ADDRA; MOV B, ADDRB; MUL A, B; STR ADDRA, A。共需要4条指令。 这种架构可以降低CPU的复杂性以及允许在同样的工艺水平下生产出功能更强大的CPU，但对于编译器的设计有更高的要求。第七页，共七十五页。 8指令格