《指令系统系统》课件

指令系统计算机的核心部分，负责执行程序指令指令集是计算机的灵魂，决定了它能够执行哪些操作目录•什么是指令系统•指令系统的实现技术•指令格式的设计•指令系统的发展趋势•指令系统的分类•指令系统的性能指标•指令系统的设计原则什么是指令系统指令系统是计算机体系结构的基础，它定义了可以执行的指令集指令系CPU统就像的语言，它规定了如何理解和执行程序CPU CPU指令系统的定义

1.1指令集功能格式计算机理解的语言，它是一组机器指令的集描述了CPU可执行的操作，例如算术运算定义了指令的结构，包括操作码、操作数和合，这些指令可以被CPU执行、数据传输和程序控制等地址等，决定了指令的执行方式指令系统的组成

1.2操作码操作数操作码opcode指示指令执行的操作类型，例如加法、减法、操作数是指令要操作的数据，可以是立即数、寄存器地址或内数据传输等存地址地址码其他字段地址码用于指定操作数在内存或寄存器中的位置，可以是直接一些指令可能包含其他字段，例如条件码、标志位等，用于控地址、间接地址或相对地址制指令执行的条件或结果指令系统的功能

1.3从程序到机器指令数据操作与控制资源分配与管理指令系统将程序代码转换为计算机能够理解指令系统定义了计算机能够执行的操作，如指令系统包含对计算机资源进行分配和管理和执行的机器指令，使程序能够直接控制计数据加载、算术运算、逻辑运算、数据存储的操作，例如内存访问、外设控制、中断处算机硬件等，以及控制程序执行流程的操作理等指令格式的设计指令格式是计算机指令的结构和组织方式指令格式的设计决定了计算机如何解释和执行指令，对计算机的性能和效率有重要影响指令长度

2.1字节数影响因素

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22.指令长度通常以字节为单位指令长度影响指令的存储空间、指令译码复杂度和处理器速度常见长度选择原则

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44.常见的指令长度为1字节、2字指令长度的选择需考虑存储空节、4字节、8字节间、执行效率和指令集的复杂度等因素操作码

2.2操作码的功能操作码的表示操作码的设计指令的操作码指定了CPU要执行的操作类型操作码通常用二进制编码表示，用于区分不操作码的设计要考虑到指令集的完整性和有同的指令类型效性地址码

2.3地址码类型立即数地址码地址码主要分为三种立即数地立即数地址码直接将操作数包含址码、直接地址码和间接地址码在指令中，无需额外访问内存直接地址码间接地址码直接地址码在指令中包含操作数间接地址码包含一个指针，该指的内存地址，可以直接访问内存针指向操作数的内存地址地址模式

2.4立即寻址寄存器寻址直接寻址间接寻址立即寻址模式直接将操作数嵌寄存器寻址模式使用寄存器作直接寻址模式使用指令中提供间接寻址模式使用指令中提供入指令中，无需访问内存或寄为操作数的地址，直接访问寄的地址直接访问内存，获取操的地址作为指针，指向另一个存器存器获取操作数作数内存地址，然后从该地址获取操作数指令系统的分类指令系统可以按照不同的标准进行分类，方便理解和比较不同的指令系统例如，可以按照指令长度、字长和功能来分类按长度分类

3.1定长指令变长指令所有指令长度相同，有利于简化硬件设计，提高指令译码速度，指令长度可变，提高存储空间利用率，支持更多功能，但增加硬但浪费存储空间，降低指令利用率件设计复杂度，降低指令译码速度按字长分类

3.2字长指令字长

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22.字长是指计算机一次处理数据指令字长是指一条机器指令所的能力占用的字节数分类

33.指令系统可以按字长分类位、位、位、位等8163264按功能分类

3.3数据传输指令算术逻辑指令控制转移指令其他指令数据传输指令用于在内存、寄算术逻辑指令用于执行算术运控制转移指令用于改变程序执其他指令包括I/O指令、系统控存器之间传输数据，例如加载算和逻辑运算，例如加、减、行流程，例如跳转、条件跳转制指令等，用于实现特定功能、存储、移动指令乘、除、与、或、非指令、调用、返回指令，例如输入输出、中断处理、系统管理等指令系统的性能指标指令系统的性能指标是衡量计算机系统性能的关键因素这些指标反映了指令系统的效率和能力，对计算机系统的整体性能有重要的影响机器指令数

4.1机器指令数是指CPU支持的指令数量它反映了指令系统的丰富程度和指令执行的灵活性指令数越多，表示指令系统越复杂，功能越强大但指令数过大，会导致指令译码时间增加，降低程序执行效率指令执行时间

4.2指令执行时间是衡量指令系统性能的重要指标之一它指的是从指令开始执行到执行完毕所花费的时间指令系统的复杂度

4.3指令系统复杂度指的是指令系统中指令数量、寻址方式、指令格式等因素的综合体现复杂度较高往往意味着指令系统功能更强大，但同时也可能带来设计、实现和维护的挑战反之，较低的复杂度可能意味着指令系统功能有限，但实现起来更容易100100100指令数寻址方式指令格式指令数量直接影响指令系统的复杂度寻址方式的多样性也会影响指令系统的复杂指令格式的复杂度会影响指令的解码和执行度效率指令系统的设计原则指令系统设计原则旨在确保指令系统高效、灵活、易于使用这些原则有助于提高程序执行效率、降低开发成本、简化系统维护简洁性

5.1指令集设计程序员友好指令集应该尽可能简洁，减少冗余和不必要的复杂性指令数量简洁的指令集更容易理解和使用，便于程序员编写代码简洁的不宜过多，避免过度复杂化设计设计能够降低程序员的学习成本，提高代码开发效率正交性

5.2指令集设计操作码正交性意味着指令集中的指令可操作码与地址码可以相互独立，以自由组合，无需考虑指令之间指令格式中每个字段的含义都独的相互影响立地址模式优势多种地址模式可以应用于所有指正交性能够简化指令系统设计，令，让程序员可以灵活地选择最减少指令数目，提高指令集的易适合的地址模式用性可扩展性

5.3适应未来需求灵活添加指令升级和扩展随着技术发展，指令系统需要能够适应新的支持新的数据类型和运算，满足日益复杂的可以方便地添加新的指令，扩展指令集，以硬件和软件需求计算需求满足新的应用需求高效性

5.4执行速度代码密度

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22.指令系统应设计成能够快速执指令系统应使用更少的指令来行指令，以提高程序执行效率完成特定任务，以减少程序的大小和存储空间资源利用率可维护性

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44.指令系统应最大限度地利用硬高效的指令系统应易于理解和件资源，例如寄存器和内存，维护，方便程序员编写和调试以提高系统性能代码指令系统的实现技术

6.指令系统通过不同的方法来实现，主要有两种微程序实现和硬布线实现微程序实现

6.1微程序控制存储器存储每个微指令对应一个基本操作，微指令序列被存储在控制存储器通过存储微指令序列来控制CPU中，每个微指令对应一个控制存储器的地址灵活性和可扩展性速度和成本微程序实现可以方便地修改指令与硬布线实现相比，微程序实现系统，添加新指令或修改现有指的执行速度相对较慢，但设计和令的功能修改的成本更低硬布线实现

6.2高速执行低延迟

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22.硬布线实现的指令系统可以直硬布线实现的指令系统没有微接通过硬件电路执行指令，不程序解释的延迟，因此延迟更需要经过微程序解释，因此速低度更快高效利用硬件资源灵活度较低

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44.硬布线实现的指令系统可以充硬布线实现的指令系统一旦设分利用硬件资源，提高指令执计完成，就难以修改，缺乏灵行效率活性指令系统的发展趋势现代计算机指令系统不断发展，以提高性能和适应新技术复杂指令集（CISC）和精简指令集（）是两个主要的指令系统设计理念RISC复杂指令集

7.1的优势CISC更易于编程•可执行更高级的操作•代码更紧凑•复杂指令集复杂指令集计算机设计旨在通过单条指令执行更复杂的操CISC作，减少执行程序所需的指令数量可变长度指令

7.2提高指令密度灵活表达指令设计难度增加可变长度指令可根据指令的复杂程度分配不复杂的指令可以使用较长的编码，简单指令解码器需要根据指令的长度进行动态调整，同长度，节省存储空间可以使用较短的编码，提高指令的表达能力增加设计难度超标量指令

7.3并行执行流水线优化多核处理器超标量指令利用硬件并行性，允许多个指令超标量指令系统通常结合流水线技术，将指多核处理器结合超标量技术，可以实现更高同时执行，显著提升性能令分解为多个阶段，提高指令执行效率程度的并行计算，满足现代应用需求。