指令系统

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By JackKing_defier

指令系统是指计算机所能执行的全部指令的集合,它描述了计算机内全部的控制信息和“逻辑判断”能力。不同计算机的指令系统包含的指令种类和数目也不同。一般均包含算术运算型、逻辑运算型、数据传送型、判定和控制型、移位操作型、位操作型、输入和输出型等指令。指令系统是表征一台计算机性能的重要因素,它的格式与功能不仅直接影响到机器的硬件结构,而且也直接影响到系统软件,影响到机器的适用范围。

首先说明一下,本文内容主要是简单说明CPU的大致原理,所需要的前提知识我会提出,但是由于篇幅我不会再详细讲解需要的其他基础知识。默认学过工科基础课。

一条指令就是机器语言的一个语句,它是一组有意义的二进制代码,指令的基本格式如:操作码字段+地址码字段,其中操作码指明了指令的操作性质及功能,地址码则给出了操作数或操作数的地址。

一、总述

发展历程

先从计算机的结构说起,在现代计算机中,CPU是核心,常常被比喻为人的大脑。现在的计算机都为“冯·诺依曼机”,“冯诺依曼机”的一个显著的特点就是由运算器、存储器、控制器、输入设备和输出设备组成。CPU是运算器和控制器合起来的统称,因为运算器和控制器在逻辑关系和电路结构上联系十分紧密,尤其在大规模集成电路制作工艺出现之后,所以这两个部件就集成在同一芯片上。

指令系统的发展经历了从简单到复杂的演变过程。早在20世纪50-60年代,计算机大多数采用分立元件的晶体管或电子管组成,其体积庞大,价格也很昂贵,因此计算机的硬件结构比较简单,所支持的指令系统也只有十几至几十条最基本的指令,而且寻址方式简单。

了解CPU怎么工作就转化为了解运算器和控制器的作用和功能。

到60年代中期,随着集成电路的出现,计算机的功耗、体积、价格等不断下降,硬件功能不断增强,指令系统也越来越丰富。

二、CPU的运算

在70年代,高级语言己成为大、中、小型机的主要程序设计语言,计算机应用日益普及。由于软件的发展超过了软件设计理论的发展,复杂的软件系统设计一直没有很好的理论指导,导致软件质量无法保证,从而出现了所谓的“软件危机”。人们认为,缩小机器指令系统与高级语言语义差距,为高级语言提供很多的支持,是缓解软件危机有效和可行的办法。计算机设计者们利用当时已经成熟的微程序技术和飞速发展的VLSI技术,增设各种各样的复杂的、面向高级语言的指令,使指令系统越来越庞大。这是几十年来人们在设计计算机时,保证和提高指令系统有效性方面传统的想法和作法。

运算器由ALU(算术逻辑单元)和若干通用寄存器组成。//寄存器需要数字逻辑知识

性能要求

ALU即为一个芯片,有相应的输入,会给出相应的输出,由逻辑运算功能表可确定不同针脚会有的相应的运算输出。//这里可以类比于数字逻辑中的74LS138芯片,只不过74181给出的是相应输入的运算结果。

指令系统的性能决定了计算机的基本功能,它的设计直接关系到计算机的硬件结构和用户的需要。一个完善的指令系统应满足如下四方面的要求:

在这里我想到,很多同学并没有学习过数字逻辑这门课,简单介绍一下。我们高中物理就学过“与门”、“或门”和“非门”,也就是通过电路可以实现逻辑上的“与”、“或”和“非”运算。同时呢,有一个门叫做“与非门”,也就是A和B先做与运算,再做非运算取反。通过布尔代数的运算法则可以把所有“门”的运算都用“与非门”表示出来,也就是等价变换。这样我们就有了异或、同或、或非等各种门电路。

完备性

通过若干个输入的信号通过各种门电路之后会产生一个或多个结果,满足我们需要的功能。比如加法器、移位器、触发器、寄存器、译码器。

指用汇编语言编写各种程序时,指令系统直接提供的指令足够使用,而不必用软件来实现。完备性要求指令系统丰富、功能齐全、使用方便。

ALU就是这样一个满足我们运算功能的部件。由于ALU功能很多,你可以理解为能做各种基本算术运算和基本逻辑运算。

有效性

说到现在,你现在应该清楚CPU内部有一个专职做运算的部件ALU了,而且由电路就可以实现。用电路可以很方便地表达出二进制信息,比如高电平为“1”,低电平为“0”。CPU处理的数据都为二进制,可以通过原码、反码和补码完成加减乘除运算,这样就把一切运算通过电路实现。

是指利用该指令系统所编写的程序能够高效率地运行。高效率主要表现在程序占据存储空间小、执行速度快。

三、指令系统

规整性

机器能做解题的运算是因为人们利用了机器语言,机器语言能被机器自身识别,同时也可以被人理解。机器语言是由一条条语句构成的,每一条语句有一定的含义。比如,它可以规定机器做什么操作,指出参与操作的数或其他信息在什么地方等。我们习惯把每一条机器语言的语句称为机器指令,全部机器指令系统的集合称为机器的指令系统。计算机的设计者主要研究如何确定机器的指令系统,如何用硬件电路、芯片、设备来实现机器指令系统的功能。计算机使用者则是依据指令系统,使用汇编语言来编制各种程序。

包括指令系统的对称性、匀齐性、指令格式和数据格式的一致性。对称性是指:在指令系统中所有的寄存器和存储器单元都可同等对待,所有的指令都可使用各种寻址方式;匀齐性是指:一种操作性质的指令可以支持各种数据类型;指令格式和数据格式的一致性是指:指令长度和数据长度有一定的关系,以方便处理和存取。

上面一段话的内容也就是说:我们利用计算机做的所有操作,本质上都被还原成一个个指令。

兼容性

指令是由操作码和地址码组成的。也就是分为不同的字段。操作码来指明要进行的操作,地址码来指出该指令的源操作数的地址、结果的地址以及下一条指令的地址。(这里又涉及到指令的格式,指令以及数据的寻址方式等,容易绕而且限于篇幅,略)一条指令包含的信息:它是干什么的,它需要的参数在哪里。

至少要能做到“向上兼容”,即低档机上运行的软件可以在高档机上运行。

指令存储在存储器中,也就是我们平常说的内存。

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执行步骤

四、CPU的控制器

一条指令的执行过程按时间顺序可分为以下几个步骤。

在第二小节中,我说了CPU的运算,这一段主要阐述CPU的控制。CPU的实质包含运算器和控制器两部分。对于冯·诺依曼结构的计算机来说,一旦程序放入存储器后,就可以通过计算机自动完成取指令和分析指令的任务,控制器就是专门做这个工作的。它负责协调并且控制计算机各部件执行程序的指令序列,其基本功能是取指令、分析指令和执行指令。


CPU发出指令地址。将指令指针寄存器的内容——指令地址,经地址总线送入存储器的地址寄存器中。

取指令,控制器必须具备能自动地从存储器中取出指令的功能。

② 从地址寄存器中读取指令。将读出的指令暂存于存储器的数据寄存器中。

分析指令,第一,要分析完成什么操作,即为控制器需要发出什么样的操作命令;第二要分析参与这次操作的操作数的有效地址。


将指令送往指令寄存器。将指令从数据寄存器中取出,经数据总线送入控制器的指令寄存器中。

执行指令,这一阶段就是根据分析指令产生的“操作命令”和“操作数地址”的要求,形成操作控制信号序列(不同的指令有不同的操作控制信号序列),通过对运算器、存储器以及I/O设备的操作,执行每一条指令。


指令译码。指令寄存器中的操作码部分送指令译码器,经译码器分析产生相应的操作控制信号,送往各个执行部件。

除此之外,控制器还有其它控制的功能,全部罗列会让人头大。简短地讲,就是控制!

⑤ 按指令操作码执行。

根据上文的内容,可以得出CPU必须有的功能:


修改程序计数器的值,形成下一条要取指令的地址。若执行的是非转移指令,即顺序执行,则指令指针寄存器的内容加1,形成下一条要取指令的地址。指令指针寄存器也称为程序计数器。

指令控制,控制程序的顺序执行。//程序运行时,指令一般是顺序执行的。

操作控制,产生完成每条指令所需的控制命令。//根据指令的要求对硬件产生操作控制信号序列,通俗来讲,就是把指令转化为对硬件的直接操作。

时间控制,对各种操作加以时间上的控制。//计算机的操作对时间比较敏感,后面会提到周期的概念。

数据加工,对数据进行算数运算和逻辑运算。//这里主要是靠ALU。

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