第4章指令系統(tǒng)

1、第四章第四章 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng) 4.1低級語言與硬件結(jié)構(gòu)的關(guān)低級語言與硬件結(jié)構(gòu)的關(guān)系系l計(jì)算機(jī)語言具有計(jì)算機(jī)語言具有高級語言高級語言和和低級語言低級語言之分之分 機(jī)器語言（二進(jìn)制語言）、匯編語言（符號語言）；機(jī)器語言（二進(jìn)制語言）、匯編語言（符號語言）； 面向機(jī)器編寫，不可移植；面向機(jī)器編寫，不可移植； 可最大程度挖掘機(jī)器功能。可最大程度挖掘機(jī)器功能。 C、Fortran、Java、Pascal等；等； 方便描述求解過程，執(zhí)行性能依賴編譯程序；方便描述求解過程，執(zhí)行性能依賴編譯程序； 與指令系統(tǒng)無關(guān)，故可移植。與指令系統(tǒng)無關(guān)，故可移植。低級語言低級語言-接近機(jī)器硬件的語言接近機(jī)器硬件的語言高級

2、語言高級語言-接近自然語言的語言接近自然語言的語言表表4.1 4.1 高級語言與低級語言的性能比較高級語言與低級語言的性能比較比較內(nèi)容比較內(nèi)容高級語言高級語言低級語言低級語言1對程序員的訓(xùn)練要求對程序員的訓(xùn)練要求(1)通用算法通用算法(2)語言規(guī)則語言規(guī)則(3)硬件知識硬件知識有有較少較少不要不要有有較多較多要要2對機(jī)器獨(dú)立的程度對機(jī)器獨(dú)立的程度獨(dú)立獨(dú)立不獨(dú)立不獨(dú)立3編制程序的難易程度編制程序的難易程度易易難難4編制程序所需時間編制程序所需時間短短較長較長5程序執(zhí)行時間程序執(zhí)行時間較長較長短短6編譯過程中對計(jì)算機(jī)資源的要求編譯過程中對計(jì)算機(jī)資源的要求多多少少指令1 機(jī)器指令2指令系統(tǒng)3指令字、

3、機(jī)器字字長4指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)中的基本概念中的基本概念5 計(jì)算機(jī)執(zhí)行某種操作的命令計(jì)算機(jī)執(zhí)行某種操作的命令 計(jì)算機(jī)可直接識別并執(zhí)行，它的表現(xiàn)形式是二進(jìn)制計(jì)算機(jī)可直接識別并執(zhí)行，它的表現(xiàn)形式是二進(jìn)制編碼。編碼。 一臺計(jì)算機(jī)中所有機(jī)器指令的集合。一臺計(jì)算機(jī)中所有機(jī)器指令的集合。 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)中的基本概念中的基本概念a=x+yADD x,yMOV a,x指令指令機(jī)器指令機(jī)器指令指令系統(tǒng)指令系統(tǒng) 一個指令字中包含二進(jìn)制代碼的位數(shù)。一個指令字中包含二進(jìn)制代碼的位數(shù)。計(jì)算機(jī)能直接處理的二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位數(shù)，它決定了計(jì)算機(jī)能直接處理的二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位數(shù)，它決定了 計(jì)算機(jī)的運(yùn)算精度。計(jì)算機(jī)的運(yùn)算精度。其中其中L為

4、指令字長度，為指令字長度，N為機(jī)器字長度為機(jī)器字長度 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)中的基本概念中的基本概念指令字長度指令字長度機(jī)器字長度機(jī)器字長度4.2 指令格式指令格式 指令格式即指令字用二進(jìn)制代碼表示的結(jié)指令格式即指令字用二進(jìn)制代碼表示的結(jié)構(gòu)形式，由操作碼字段和地址碼字段組成。構(gòu)形式，由操作碼字段和地址碼字段組成。 操作碼字段操作碼字段OPOP地址碼字段地址碼字段 A A表征指令的操表征指令的操作特性與功能作特性與功能 指定參與操作的指定參與操作的操作數(shù)的地址操作數(shù)的地址 操作碼操作碼l操作碼是指明指令操作性質(zhì)的命令碼。它提供指操作碼是指明指令操作性質(zhì)的命令碼。它提供指令的操作控制信息。令的操作控制信

5、息。 例，加法、減法、乘法、取數(shù)、存數(shù)等。l一般來說，一個一般來說，一個n n位的操作碼最多能表示位的操作碼最多能表示2 2n n條指令。條指令。操作碼字段操作碼字段 OP地址碼字段地址碼字段 A 地址碼地址碼操作碼操作碼A1A2A3操作碼操作碼A1A2操作碼操作碼A操作碼操作碼三地址指令三地址指令二地址指令二地址指令單地址指令單地址指令 零地址指令零地址指令指定參與操作的操作數(shù)的地址指定參與操作的操作數(shù)的地址存儲器存儲器寄存器寄存器l三地址指令格式：三地址指令格式：l三地址指令功能為：三地址指令功能為： (A1) OP (A2) A3 A1為被操作數(shù)地址，也稱源操作數(shù)地址；為被操作數(shù)地址，也

6、稱源操作數(shù)地址； A2為操作數(shù)地址，也稱終點(diǎn)操作數(shù)地址；為操作數(shù)地址，也稱終點(diǎn)操作數(shù)地址； A3為存放結(jié)果的地址。為存放結(jié)果的地址。 lA1 、A2 、A3可以是存儲器地址，也可是寄存器地可以是存儲器地址，也可是寄存器地址。址。OPOPA A1 1A A2 2A A3 3三地址指令三地址指令結(jié)果結(jié)果二地址指令二地址指令l二地址指令的格式為：二地址指令的格式為： 二地址指令功能為：二地址指令功能為： (A1) OP (A2) A1OPOPA A1 1A A2 2二地址指令二地址指令OPOPA A1 1A A2 2 存儲器存儲器存儲器型（存儲器型（S-S型型）指令：）指令：A1、A2均為存儲器均為

7、存儲器地址的二地址指令。地址的二地址指令。 寄存器寄存器寄存器型（寄存器型（R-R型型）指令：）指令： A1、A2均為寄存器均為寄存器地址的二地址指令。地址的二地址指令。R-R型指令執(zhí)行速度快。型指令執(zhí)行速度快。 寄存器寄存器存儲器型（存儲器型（R-S型型）指令：）指令： A1、A2中一個是寄中一個是寄存器地址，另一個是存儲器地址的二地址指令。存器地址，另一個是存儲器地址的二地址指令。 二地址指令的幾種形式二地址指令的幾種形式A1 A1 、A2A2可以是存儲器地址，也可是寄存器地址可以是存儲器地址，也可是寄存器地址一地址指令（單地址指令）一地址指令（單地址指令）lA A可以是存儲器地址，也可是

8、寄存器地址?？梢允谴鎯ζ鞯刂罚部墒羌拇嫫鞯刂?。l一地址指令有兩種情況一地址指令有兩種情況 單操作數(shù)指令單操作數(shù)指令 雙操作數(shù)指令雙操作數(shù)指令OPOPA A零地址指令零地址指令l零地址指令中只有操作碼而無地址碼，其指令格式零地址指令中只有操作碼而無地址碼，其指令格式為：為：l不需操作數(shù)的控制型指令如不需操作數(shù)的控制型指令如HALTHALT、WAITWAIT、NOPNOP等。等。OPOP指令助記符指令助記符 l指令助記符：指令助記符：硬件只能識別硬件只能識別1和和0，所以須采用二進(jìn)制操，所以須采用二進(jìn)制操作碼，為便于書寫和閱讀程序，每條指令用作碼，為便于書寫和閱讀程序，每條指令用3個或個或4個英

9、個英文縮寫字母來表示。文縮寫字母來表示。典典 型型 指指 令令指令助記符指令助記符二進(jìn)制操作碼二進(jìn)制操作碼加法加法ADD001減法減法SUB010傳送傳送MOV011跳轉(zhuǎn)跳轉(zhuǎn)JMP100轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)子JSR101存儲存儲STR110讀數(shù)讀數(shù)LDA111表表4.2典型的指令助記符典型的指令助記符例例1指令格式如下所示，其中指令格式如下所示，其中OP為操作碼，試分析指令為操作碼，試分析指令格式的特點(diǎn)。格式的特點(diǎn)。 （假設(shè)機(jī)器字長（假設(shè)機(jī)器字長16位）位） 15 9 7 4 3 0OP-源寄存器源寄存器目標(biāo)寄存器目標(biāo)寄存器解解：（1）單字長二地址指令。）單字長二地址指令。 （2）操作碼字段）操作碼字段OP

10、可以指定可以指定27128條指令。條指令。 （3）源寄存器和目標(biāo)寄存器都是通用寄存器，所以是）源寄存器和目標(biāo)寄存器都是通用寄存器，所以是 RR型指令，兩個操作數(shù)均在寄存器中。型指令，兩個操作數(shù)均在寄存器中。例例2 指令格式如下所示，試分析指令格式特點(diǎn)。指令格式如下所示，試分析指令格式特點(diǎn)。 15 10 7 4 3 0OP-源寄存器變址寄存器位移量(16位)（1）雙字長二地址指令雙字長二地址指令（2）操作碼字段操作碼字段OP為為6位，可以指定位，可以指定64種操作種操作（3）一個操作數(shù)在源寄存器（共一個操作數(shù)在源寄存器（共16個），另一個操作數(shù)在存?zhèn)€），另一個操作數(shù)在存儲器中（由變址寄存器和位移

11、量決定）儲器中（由變址寄存器和位移量決定）,所以是所以是RS指令指令指令和數(shù)據(jù)的尋址方式 l 尋址方式：形成指令或操作數(shù)地址的方式尋址方式：形成指令或操作數(shù)地址的方式 l 指令尋址方式：用于形成指令在內(nèi)存中的地址指令尋址方式：用于形成指令在內(nèi)存中的地址l 數(shù)據(jù)尋址方式數(shù)據(jù)尋址方式：用于形成操作數(shù)的地址：用于形成操作數(shù)的地址指令的尋址方式 順序?qū)ぶ贩绞巾樞驅(qū)ぶ贩绞?PC PC1PC1PC 設(shè)置程序計(jì)數(shù)器（或稱指令計(jì)數(shù)器）設(shè)置程序計(jì)數(shù)器（或稱指令計(jì)數(shù)器）PCPC，每執(zhí)行一條指，每執(zhí)行一條指令，計(jì)數(shù)器加令，計(jì)數(shù)器加1 1； 把計(jì)數(shù)器內(nèi)容作為指令的存儲地址把計(jì)數(shù)器內(nèi)容作為指令的存儲地址。 指令的順序?qū)?/p>

12、址方式 PC=1PC=2指令的尋址方式指令的尋址方式 跳躍尋址方式跳躍尋址方式 當(dāng)程序轉(zhuǎn)移時，修改當(dāng)程序轉(zhuǎn)移時，修改PCPC的內(nèi)容的內(nèi)容 下條指令的地址，不是計(jì)數(shù)器給出的，而是當(dāng)前指令指下條指令的地址，不是計(jì)數(shù)器給出的，而是當(dāng)前指令指定的。定的。 程序跳躍后，按新的指令地址開始順序執(zhí)行，指令計(jì)數(shù)程序跳躍后，按新的指令地址開始順序執(zhí)行，指令計(jì)數(shù)器的內(nèi)容相應(yīng)改變器的內(nèi)容相應(yīng)改變。指令的跳躍尋址方式(程序的控制轉(zhuǎn)移)操作數(shù)尋址方式操作數(shù)尋址方式l操作數(shù)的尋址操作數(shù)的尋址：把操作數(shù)的：把操作數(shù)的形式地址形式地址，根據(jù)間址和，根據(jù)間址和變址等組合變換為操作數(shù)變址等組合變換為操作數(shù)有效地址有效地址的過程。

13、的過程。 形式地址形式地址：指令中給出的地址。：指令中給出的地址。( (不一定是實(shí)際地不一定是實(shí)際地址址) ) 有效地址有效地址：操作數(shù)的實(shí)際地址。如寄存器編號或：操作數(shù)的實(shí)際地址。如寄存器編號或存儲單元地址。存儲單元地址。操作數(shù)尋址方式操作數(shù)尋址方式l單地址指令單地址指令l單地址指令結(jié)構(gòu)為例單地址指令結(jié)構(gòu)為例：形式地址形式地址A A字段字段有效地址有效地址算法算法X X字段字段間址間址I I字段字段操作碼操作碼OPOP操作碼字段操作碼字段地地 址址 碼碼 字字 段段操作數(shù)操作數(shù)尋址方式特征位尋址方式特征位指令的地址字段直接給出操作數(shù)本身指令的地址字段直接給出操作數(shù)本身DataA操作碼操作碼

14、形式地址形式地址例例2：Intel 8086指令指令： MOV AX，2000H ；將數(shù)據(jù)；將數(shù)據(jù)2000H存入累加器存入累加器AX中中機(jī)器碼：機(jī)器碼：立即數(shù)尋址特征立即數(shù)尋址特征立即尋址立即尋址直接尋址直接尋址例：例：Intel 8086指令：指令： MOV AX，2000H 將有效地址為將有效地址為2000H2000H的內(nèi)存單元的內(nèi)容讀入的內(nèi)存單元的內(nèi)容讀入AXAX中。中。指令字中直接給出操作數(shù)在內(nèi)存的地址。指令字中直接給出操作數(shù)在內(nèi)存的地址。形式地址有效地址形式地址有效地址AEA直接尋址特征直接尋址特征間接尋址間接尋址l間接尋址意味著指令的地址碼部分給出的地址間接尋址意味著指令的地址碼部

15、分給出的地址A不是不是操作數(shù)的地址，而是存放操作數(shù)地址的主存單元的操作數(shù)的地址，而是存放操作數(shù)地址的主存單元的地址，簡稱操作數(shù)地址的地址。地址，簡稱操作數(shù)地址的地址。 至少需要兩次訪問主存儲器才能取出操作數(shù)至少需要兩次訪問主存儲器才能取出操作數(shù)EA（A）間接尋址特征間接尋址特征寄存器尋址寄存器尋址例：例： Intel 8086指令：指令： MOV AL，BL ；ALBLEA Ri DataRi寄存器尋址方式寄存器尋址方式：操作數(shù)放在：操作數(shù)放在CPUCPU的通用寄存器中。的通用寄存器中。此時指令中給出的操作數(shù)地址是通用寄存器的此時指令中給出的操作數(shù)地址是通用寄存器的編號編號。寄存器尋址特征寄存

16、器尋址特征寄存器間接尋址寄存器間接尋址寄存器間接尋址方式寄存器間接尋址方式：指令格式中的寄存器內(nèi)容不是：指令格式中的寄存器內(nèi)容不是操作數(shù)，而是操作數(shù)的地址，該地址指明的操作數(shù)在操作數(shù)，而是操作數(shù)的地址，該地址指明的操作數(shù)在內(nèi)存中。內(nèi)存中。EA （ Ri） Data( Ri) 例：例：Intel 8086指令：指令： MOV AL，BX 。 設(shè)設(shè) BX2000H，(2000H)80H，則，則 AL80H寄存器間接尋址特征寄存器間接尋址特征偏移尋址偏移尋址直接尋址和寄存器間接尋址方式的結(jié)合直接尋址和寄存器間接尋址方式的結(jié)合有效地址由兩部分組成：形式地址有效地址由兩部分組成：形式地址A，某個專用寄，

17、某個專用寄存器內(nèi)的值。存器內(nèi)的值。EA=(R) +A三種偏移尋址是相對尋址、基址尋址、變址尋址。三種偏移尋址是相對尋址、基址尋址、變址尋址。相對尋址方式相對尋址方式 程序計(jì)數(shù)器程序計(jì)數(shù)器PCPC的內(nèi)容加上地址字段中的內(nèi)容加上地址字段中A A的值形成指令的值形成指令的目的地址的目的地址EA （PC）A 采用相對尋址方式，程序員無須采用相對尋址方式，程序員無須用指令的絕對地址編程，所編程序用指令的絕對地址編程，所編程序可以放在內(nèi)存任何地方可以放在內(nèi)存任何地方。A可正可負(fù)！可正可負(fù)！注意：注意：PC程序計(jì)數(shù)器是隱含引用程序計(jì)數(shù)器是隱含引用指令的跳躍尋址方式指令的跳躍尋址方式(程序的控制轉(zhuǎn)移程序的控制

18、轉(zhuǎn)移)基址尋址基址尋址基準(zhǔn)地址放在基準(zhǔn)地址放在專用的基址寄存器專用的基址寄存器RbRb中，指令的地址中，指令的地址碼部分給出偏移量碼部分給出偏移量A A，最后操作數(shù)的有效地址為：，最后操作數(shù)的有效地址為：EAEA( (RbRb) )A A。尋址特征尋址特征優(yōu)點(diǎn)：增加內(nèi)存的訪問空間優(yōu)點(diǎn)：增加內(nèi)存的訪問空間變址尋址變址尋址基準(zhǔn)地址基準(zhǔn)地址A A與與CPUCPU內(nèi)某內(nèi)某專用變址寄存器專用變址寄存器RxRx的內(nèi)容相加，的內(nèi)容相加，得有效地址：得有效地址：EAEAA A(Rx)(Rx)。 最典型的應(yīng)用是將地址最典型的應(yīng)用是將地址A A作為基準(zhǔn)地址，而將變址寄存器作為基準(zhǔn)地址，而將變址寄存器RxRx中的內(nèi)

19、容作為修改量，實(shí)現(xiàn)程序塊的規(guī)律性變化。中的內(nèi)容作為修改量，實(shí)現(xiàn)程序塊的規(guī)律性變化。段尋址方式 l段尋址方式的實(shí)質(zhì)還是基址尋址段尋址方式的實(shí)質(zhì)還是基址尋址l微機(jī)中采用，目的是擴(kuò)大尋址范圍。微機(jī)中采用，目的是擴(kuò)大尋址范圍。堆棧尋址堆棧尋址 堆棧有寄存器堆棧和存儲器堆棧兩種形式，它們堆棧有寄存器堆棧和存儲器堆棧兩種形式，它們都以先進(jìn)后出的原理存儲數(shù)據(jù)。都以先進(jìn)后出的原理存儲數(shù)據(jù)。 數(shù)據(jù)的存取都與棧頂打交道，需要堆棧指示器（寄數(shù)據(jù)的存取都與棧頂打交道，需要堆棧指示器（寄存器）。存器）。l一地址指令的格式為：一地址指令的格式為：l雙操作數(shù)指令雙操作數(shù)指令：另一個操作數(shù)通常采用隱含尋址的方：另一個操作數(shù)通

20、常采用隱含尋址的方法，將第二操作數(shù)隱含在約定的法，將第二操作數(shù)隱含在約定的累加器累加器ACAC中，其指令中，其指令功能為：功能為：(AC)OP(A)AC(AC)OP(A)AC。OPA隱含尋址隱含尋址在指令中不明顯地給出操作數(shù)的地址在指令中不明顯地給出操作數(shù)的地址操作數(shù)尋址方式操作數(shù)尋址方式尋址方式尋址方式 算法算法 隱含尋址隱含尋址 操作數(shù)在專用寄存器操作數(shù)在專用寄存器 立即尋址立即尋址 操作數(shù)操作數(shù)=A（A為形式地址）為形式地址） 直接尋址直接尋址 EA=A （EA為有效地址）為有效地址） 間接尋址間接尋址 EA=(A) 寄存器尋址寄存器尋址 EA=R 寄存器間接尋址寄存器間接尋址 EA=(

21、R) 偏移尋址偏移尋址 EA=A+(R) 段尋址段尋址 EA=A+(R) 堆棧尋址堆棧尋址 EA=棧頂棧頂OP-通用寄存器通用寄存器IX偏移量偏移量D 其中其中I為間接尋址標(biāo)志位，為間接尋址標(biāo)志位，X為尋址模式字段，為尋址模式字段，D為偏移量字段為偏移量字段。通過。通過I，X，D的組合，可構(gòu)成下表所示的尋址方式。的組合，可構(gòu)成下表所示的尋址方式。 請寫出六種尋址方式的名稱。請寫出六種尋址方式的名稱。尋址方式尋址方式IX有效地址有效地址E算法算法說明說明(1)000E=D(2)001E=(PC)+DPC為程序計(jì)數(shù)器為程序計(jì)數(shù)器(3)010E=D+(R2) R2為變址寄存器為變址寄存器(4)111

22、E=(R3)(5)100E=(D)(6)011E=(R1)+DR1為基址寄存器為基址寄存器例例3一種二地址一種二地址RS型指令的結(jié)構(gòu)如下所示：型指令的結(jié)構(gòu)如下所示：6位位 4位位 1位位2位位 16位位解解：（1 1）直接尋址）直接尋址（2 2）相對尋址）相對尋址（3 3）變址尋址）變址尋址（4 4）寄存器間接尋址）寄存器間接尋址（5 5）間接尋址）間接尋址（6 6）基址尋址）基址尋址某機(jī)指令格式如圖所示：某機(jī)指令格式如圖所示：圖中圖中X為尋址特征位，且為尋址特征位，且X=0時，不變址；時，不變址；X=1時，用時，用變址寄存器變址寄存器X1進(jìn)行變址；進(jìn)行變址；X=2時，相對尋址。設(shè)（時，相對尋

23、址。設(shè)（PC）=1234H，（，（X1）=0037H, 請確定下列指令的有效地址。請確定下列指令的有效地址。 (1)2493H (2)3214H (3) 4530HOP XD0011 0010 00010100X2，相對尋址。有效地址，相對尋址。有效地址=(PC)D1234H0014H1248H0093H0067HX=0，E=D=93H0010 0100 1001 00110100 0101 0011 0000X=1，E=30H+(X1)151098 70復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī) CISC （Complex Instruction Set Computer）l靠增強(qiáng)指令的功能，增加

24、指令系統(tǒng)的復(fù)雜程度來提高計(jì)算機(jī)靠增強(qiáng)指令的功能，增加指令系統(tǒng)的復(fù)雜程度來提高計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能。系統(tǒng)的性能。l特點(diǎn)：特點(diǎn)： (1) (1)指令系統(tǒng)復(fù)雜龐大，指令數(shù)目一般達(dá)指令系統(tǒng)復(fù)雜龐大，指令數(shù)目一般達(dá)200200300300條。條。 (2) (2)指令格式多，指令字長不固定，使用多種尋址方式。指令格式多，指令字長不固定，使用多種尋址方式。 (3) (3)可訪存指令不受限制?？稍L存指令不受限制。 (4) (4)大多數(shù)采用微程序控制器。大多數(shù)采用微程序控制器。lCISCCISC中，通過增強(qiáng)指令系統(tǒng)的功能，簡化了軟件，增加了硬中，通過增強(qiáng)指令系統(tǒng)的功能，簡化了軟件，增加了硬件的復(fù)雜程度。然而指令復(fù)雜

25、了，指令的執(zhí)行時間必然加長，件的復(fù)雜程度。然而指令復(fù)雜了，指令的執(zhí)行時間必然加長，從而使整個系統(tǒng)的執(zhí)行時間反而增加從而使整個系統(tǒng)的執(zhí)行時間反而增加 l20%20%和和80%80%規(guī)律：規(guī)律：CISCCISC中大約有中大約有20%20%的指令使用頻率高，占據(jù)的指令使用頻率高，占據(jù)了了80%80%的處理機(jī)時間，而有的處理機(jī)時間，而有80%80%的不常用指令只占用處理機(jī)的的不常用指令只占用處理機(jī)的20%20%時間。時間。 4.5.3 4.5.3 精簡指令系統(tǒng)精簡指令系統(tǒng)l精簡指令集精簡指令集計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)RISC（Reduced Instruction Set Computer）靠精簡指令系統(tǒng)，簡化指令功能及優(yōu)化的編譯程序來