2計(jì)算機(jī)組成原理-2(2)

2.3 指令信息的表示,指令：指示計(jì)算機(jī)執(zhí)行某類操作的信息的集合。,本節(jié)主要討論：一般指令格式 常用尋址方式 面向用戶指令類型,2.3.1 指令格式,指令基本格式,一個,一個或幾個,1. 指令字長,定長指令格式 變長指令格式,便于控制,（1） 定長操作碼 各指令的位置、位數(shù)固定相同。 （2）擴(kuò)展操作碼 各指令的位置、位數(shù)不固定，根據(jù)需要 變化。,合理利用存儲空間,2. 操作碼結(jié)構(gòu),關(guān)鍵在設(shè)置擴(kuò)展標(biāo)志。,例. 指令字長16位，可含有3、2、1或0 個地址，每個地址占4位,給出擴(kuò)展操作碼方案。,操作碼 地址碼,15 12 11 8 7 4 3 0,0000 X Y Z 1110 X Y Z,1111 0000 Y Z 1111 1101 Y Z,三地址指令 15條,二地址指令 14條,1111 1110 0000 Z 1111 1111 1110 Z,單地址指令 31條,1111 1111 1111 0000 1111 1111 1111 1111,零地址指令 16條,（3）復(fù)合型操作碼 操作碼分為幾部分，每部分表示一種操作。 例.某機(jī)算邏指令,3. 地址結(jié)構(gòu),指令中提供的地址數(shù),存儲單元地址碼 寄存器編號,（1）指令提供地址的方式 顯地址方式 隱地址方式,:指令中明顯指明地址。 :地址隱含約定,不出現(xiàn)在指令中。,直接或間接給出,（2） 地址結(jié)構(gòu)的簡化,操作數(shù)地址, 四地址結(jié)構(gòu)指令 格式：,使用隱地址可以減少指令中的地址數(shù)，簡化 地址結(jié)構(gòu)。,結(jié)果地址,下條指令地址,功能：,用指令計(jì)數(shù)器PC指示指令地址。,三地址結(jié)構(gòu)指令 格式：,操作數(shù)地址,結(jié)果地址,下條指令地址,功能：,轉(zhuǎn)移時，用轉(zhuǎn)移 地址修改PC內(nèi)容。,源/目的,二地址結(jié)構(gòu)指令 格式：,目的/源,功能：,雙操作數(shù)：,一地址結(jié)構(gòu)指令 格式：,隱含約定,單操作數(shù)：,功能：,零地址結(jié)構(gòu)指令 格式：,功能：,用于堆?；蛱厥庵噶畈僮鳌?例.POP(SP):,執(zhí)行前：,低,執(zhí)行后：,高,低,高,2.3.2 常見尋址方式,指尋找操作數(shù)地址或操作數(shù)的方式。,（1） 立即尋址,指令直接給出操作數(shù)。,1. 常見尋址方式,定長格式：,變長格式：,數(shù)在指令中，其長度固定、有限。,數(shù)在基本指令之后，其長度可變。,用來提供常數(shù)、設(shè)置初值等。,（2） 直接尋址,指令直接給出操作數(shù)地址。,存儲單元號 寄存器號,(數(shù)在M中) (數(shù)在R中), 存儲器直接尋址,（直接尋址）,定長格式,D的位數(shù)有限, 限制訪存范圍,變長格式,D的位數(shù)可覆蓋 整個存儲空間,S =（D）,存儲單元號 寄存器號,(數(shù)在M中) (數(shù)在M中), 寄存器直接尋址,（寄存器尋址）,格式,R所占位數(shù)少； 訪問R比訪問M快,格式,S =（R）,用于訪問固定的存儲單元或寄存器。,（3）間接尋址,指令給出操作數(shù)的間接地址。, 存儲器間址,D=0030,0060,.,0060,S,.,S =(D),M,間址單元,地址指針, 寄存器間址,格式,R所占位數(shù)少；R可提供全字長地址碼； 修改R內(nèi)容比修改M內(nèi)容快。,格式,S =(R),指針不變(由指令指定)，指針內(nèi)容可變，使同一指令可指向不同存儲單元，以實(shí)現(xiàn)程序的循環(huán)、共享，并提供轉(zhuǎn)移地址。, 堆棧間接尋址,SP,.,S,.,S =(SP),M,R=02,M,0040,S,.,.,.,地址指針,.,棧頂,格式,SP既可出現(xiàn)在指令中，也可隱含約定。, 變址尋址,（4）變址、基址尋址及其變化,堆棧向上生成,壓棧：,SP自動減1，再存數(shù)。 -(SP)，自減型間址。,先取數(shù)，SP再自動加1。 (SP)+，自增型間址。,出棧：,指令給出一個寄存器號和一個地址量，寄存器內(nèi)容與地址量之和為有效地址。,D的位數(shù)有限，若不能提供全字長地址碼，會使訪存空間受到限制。,變址寄存器號,例. 用變址方式訪問一組連續(xù)區(qū)間內(nèi)的數(shù)組元素。,S =(RX)+ D),D=首址,D為存儲區(qū)首址； (RX)為所訪單元距離 首址的長度； RX初值為0，每訪問一 個單元，(RX)+1。,形式地址,修改量,基準(zhǔn)地址,D+1,D+2,D+n-1,.,格式,（D的位數(shù)只需覆蓋一個較小的存儲區(qū)間）, 基址尋址,基址寄存器號,4K,指令給出一個寄存器號和一個地址量，寄存器內(nèi)容與地址量之和為有效地址。,位移量,S =(Rb)+ D),基準(zhǔn)地址,相對于基址的位移,4K,改變Rb的內(nèi)容，程序能訪問存儲空間中任何一個定長區(qū)間(4K)。,便于訪問兩維數(shù)組中某類 指定的元素。,變址與基址的區(qū)別：,變址：指令提供基準(zhǔn)量(不變)， R提供修改量(可變)；適 于處理一維數(shù)組。,基址：指令提供位移量(不變)， R提供基準(zhǔn)量(可變)；用 于擴(kuò)大有限字長指令的訪 存空間。,S =(RX)+(Rb)+ D),格式, 基址加變址,變址寄存器號,指令給出兩個寄存器號和一個地址量，寄存器內(nèi)容與地址量之和為有效地址。,位移量,基址寄存器號,便于處理兩維數(shù)組。,格式, 相對尋址,指令給出位移量，PC內(nèi)容與位移量之和為有效地址。,位移量,或隱含指定,S =(PC)D),有效地址相對PC上下浮動,給編程帶來方便。,格式, 頁面尋址,指令給出位移量，PC的高位部分與位移量拼接，形成有效地址。,位移量,或隱含指定,S =(PC)H，D),例. M為64KB，劃分為256頁，每頁256B。,頁號,頁內(nèi)地址,用于頁式管理存儲系統(tǒng)。 尋址速度快，適于組織程序模塊， 有效利用存儲空間。,017CH,2. 對尋址方式的說明,（1）操作碼隱含說明不同尋址方式,例.某機(jī)指令操作碼最高兩位,00：RR型指令，寄存器-寄存器尋址 01：RX型指令，寄存器-變址尋址 10：SI型指令，基址-立即尋址 11：SS型指令，基址-基址尋址,（2）指令中設(shè)置專門字段說明尋址方式,例.某機(jī)指令的每個地址字段中各設(shè)置一個 3位的尋址方式字段。,源地址字段,目的地址字段,3位,3位,2.3.3 指令的功能和類型,1.數(shù)據(jù)傳送類指令,源地址 目的地址,數(shù),數(shù)據(jù)傳送指令主要包括取數(shù)指令、存數(shù)指令、傳送指令、成組傳送指令、字節(jié)交換指令、清累加器指令、堆棧操作指令等等。這類指令主要用來實(shí)現(xiàn)主存和寄存器之間，或寄存器和寄存器之間的數(shù)據(jù)傳送。,設(shè)置時需考慮：,（1）規(guī)定傳送范圍,例. DJS-100系列：,80X86：,IBM370：,（2）指明傳送單位,例. 用操作碼說明(VAX-11)：,用地址量說明(80X86)：,傳送次數(shù)由計(jì)數(shù)器控制,MOVB 8,MOV AX，BX (16),MOVW 16,MOVL 32,MOV AL，BL (8),MOV EAX，EBX (32),例. 80X86的串傳送指令：REP MOVSW,（3）設(shè)置尋址方式,在尋址方式的設(shè)置上幾乎不受限制，能比較 集中地反映指令系統(tǒng)各種尋址方式的實(shí)現(xiàn)。,2.輸入/輸出指令,各種信息,設(shè)置時需考慮：,（1）I/O指令的功能擴(kuò)展,如何用通用I/O指令實(shí)現(xiàn)對各種具體設(shè)備的控制？, I/O指令中留有擴(kuò)展余地,指令中某些字段編碼事先不定義，需要時再約定 其含義。, I/O接口中設(shè)置控制/狀態(tài)寄存器,用于外設(shè)種類、數(shù)量不多的場合。,（2）主機(jī)對外設(shè)的尋址方式,如何設(shè)置控制/狀態(tài)寄存器是接口設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。,尋找I/O接口中的寄存器的方式。,主機(jī)用輸出指令或傳送指令將具體設(shè)備的控制命令 按約定的代碼格式送往接口中的控制寄存器，向外 設(shè)發(fā)出命令。 外設(shè)的狀態(tài)信息也以某種格式放在接口的狀態(tài)寄存 器中，主機(jī)用輸入指令或傳送指令從狀態(tài)寄存器中 取出有關(guān)信息進(jìn)行查詢、分析。,I/O端口,尋找I/O接口中的寄存器的方式。,如何為I/O端口分配地址？, 單獨(dú)編址,I/O地址空間不占主存空間，可與主存空間重疊。,=1 訪問存儲器 =0 訪問I/O端口,需設(shè)置標(biāo)志區(qū)分訪問對象，如,編址到寄存器：為每個寄存器(I/O端口)分配獨(dú) 立的端口地址； I/O指令中給出端口地址。, 統(tǒng)一編址,I/O端口占據(jù)部分主存空間。 常將存儲空間的低端分配給主存單元，高端分配 給I/O端口，以示區(qū)分。,編址到寄存器, 設(shè)置專用I/O指令 針對單獨(dú)編址，用I/O指令訪問I/O端口。 指令中說明輸入/輸出操作，并給出端口地址。,：為每個寄存器(I/O端口)分配總 線地址； 訪問外設(shè)時，指令中給出總線地址。,（3）I/O指令設(shè)置方式,顯式I/O指令,例. 80X86I/O指令設(shè)置,輸入：IN AL，n；,端口地址,(直接端口尋址),IN AL，DX；,間接端口地址,(間接端口尋址),輸出：OUT n，AL；,(直接端口尋址),OUT DX，AL；,(間接端口尋址),主機(jī)調(diào)用輸入機(jī)：, 用傳送指令實(shí)現(xiàn)I/O操作 針對統(tǒng)一編址，用傳送指令訪問I/O端口。 不設(shè)專用I/O指令。,例. 某機(jī)I/O接口中設(shè)置 控制/狀態(tài)寄存器CSR,其總線地址為177550(8進(jìn)制) 數(shù)據(jù)緩沖寄存器DBR，其總線地址為177552,隱式I/O指令,控制/狀態(tài)字格式：,15 14 12 7 6 2 1 0,啟動： 測試： 取數(shù)：, 通過I/O處理機(jī)進(jìn)行I/O操作,CPU執(zhí)行簡單I/O指令 (啟動、停止、查詢、清除),設(shè)置時需考慮操作數(shù)類型、符號、進(jìn)制等； 運(yùn)算結(jié)束后設(shè)置相應(yīng)狀態(tài)標(biāo)志。,兩級I/O指令,（1）算術(shù)運(yùn)算指令,I/O處理機(jī)執(zhí)行I/O操作指令 (輸入、輸出),3.算術(shù)邏輯運(yùn)算指令,（2）邏輯運(yùn)算指令,實(shí)現(xiàn)對代碼位的設(shè)置、測試、清除、修改等。,與,或,異或,主要作用：控制程序流程。,（1）轉(zhuǎn)移指令,4. 程序控制指令,（2）轉(zhuǎn)子指令與返回指令,轉(zhuǎn)子：操作碼 子程序入口,無條件轉(zhuǎn)移 條件轉(zhuǎn)移 循環(huán),：操作碼 轉(zhuǎn)移地址 ：操作碼 轉(zhuǎn)移地址 轉(zhuǎn)移條件 ：轉(zhuǎn)移條件為循環(huán)計(jì)數(shù)值,返回：操作碼 返回地址,同一條返回指令應(yīng)能提供多個不同的返回地址