計算機組成原理第七章

1、主講:雷向東中南大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院Central South UniversitySchool of Information Science and Engineering 7.1 機器指令機器指令 7.2 操作數(shù)類型和操作類型操作數(shù)類型和操作類型 7.3 尋址方式尋址方式 7.4 指令格式舉例指令格式舉例 7.5 RISC 技術(shù)技術(shù) 一、指令的一般格式一、指令的一般格式 操作碼字段操作碼字段 地址碼字段地址碼字段1. 操作碼操作碼反映機器做什么操作反映機器做什么操作(1) 長度固定長度固定(2) 長度可變長度可變用于指令字長較長的情況用于指令字長較長的情況 ，RISC如如 IBM 37

2、0操作碼操作碼 8 位位操作碼分散在指令字的不同字段中操作碼分散在指令字的不同字段中(3) 擴展操作碼技術(shù)擴展操作碼技術(shù)操作碼的位數(shù)隨地址數(shù)的減少而增加操作碼的位數(shù)隨地址數(shù)的減少而增加OP A1 A2 A3000000011110A1A1A1A2A2A2A3A3A3A2A2A2A3A3A3111111111111000000011110111111111111111111111111111111111111000000011111111111111111111111111111A3A3A30000000111104 位操作碼位操作碼8 位操作碼位操作碼12 位操作碼位操作碼16 位操作碼位操作

3、碼15條三地址指令條三地址指令15條二地址指令條二地址指令15條一地址指令條一地址指令16條零地址指令條零地址指令2. 地址碼地址碼(1) 四地址四地址(2) 三地址三地址OP A1 A2 A3 A48 6 6 6 6A1 第一操作數(shù)地址第一操作數(shù)地址A2 第二操作數(shù)地址第二操作數(shù)地址A3 結(jié)果的地址結(jié)果的地址A4 下一條指令地址下一條指令地址若若 PC 代替代替 A4(A1) OP (A2) A38 8 8 8 OP A1 A2 A3(A1) OP (A2) A34 次訪存次訪存4 次訪存次訪存尋址范圍尋址范圍 26 = 64尋址范圍尋址范圍 28 = 256若若 A3 用用 A1 或或 A

4、2 代替代替設(shè)指令字長為設(shè)指令字長為 32 位位操作碼固定為操作碼固定為 8 位位(3) 二地址二地址OP A1 A28 12 12(A1) OP (A2) A1(A1) OP (A2) A2或或4 次訪存次訪存若若ACC 代替代替 A1（或或A2）若結(jié)果存于若結(jié)果存于 ACC (4) 一地址一地址(5) 零地址零地址OP A18 24無地址碼無地址碼(ACC) OP (A1) ACC2 次訪存次訪存尋址范圍尋址范圍 212 = 4 K尋址范圍尋址范圍 224 = 16 M 3次訪存次訪存二、指令字長二、指令字長指令字長決定于指令字長決定于操作碼的長度操作碼的長度指令字長指令字長 = 存儲字長

5、存儲字長2. 指令字長指令字長 可變可變操作數(shù)地址的長度操作數(shù)地址的長度操作數(shù)地址的個數(shù)操作數(shù)地址的個數(shù)1. 指令字長指令字長 固定固定按字節(jié)的倍數(shù)變化按字節(jié)的倍數(shù)變化小結(jié)小結(jié) 當用一些硬件資源代替指令字中的地址碼字段后當用一些硬件資源代替指令字中的地址碼字段后 當指令的地址字段為寄存器時當指令的地址字段為寄存器時 可擴大指令的尋址范圍可擴大指令的尋址范圍 可縮短指令字長可縮短指令字長 可減少訪存次數(shù)可減少訪存次數(shù) 三地址三地址 OP R1, R2, R3 二地址二地址 OP R1, R2 一地址一地址 OP R1 指令執(zhí)行階段不訪存指令執(zhí)行階段不訪存 可縮短指令字長可縮短指令字長一、操作數(shù)類

6、型一、操作數(shù)類型地址地址數(shù)字數(shù)字字符字符邏輯數(shù)邏輯數(shù)無符號整數(shù)無符號整數(shù)定點數(shù)、浮點數(shù)、十進制數(shù)定點數(shù)、浮點數(shù)、十進制數(shù)ASCII邏輯運算邏輯運算二、數(shù)據(jù)在存儲器中的存放方式二、數(shù)據(jù)在存儲器中的存放方式字地址字地址 為為 低字節(jié)低字節(jié) 地址地址字地址字地址 為為 高字節(jié)高字節(jié) 地址地址37621540字地址字地址04低字節(jié)低字節(jié)04512673字地址字地址04低字節(jié)低字節(jié)存儲器中的數(shù)據(jù)存放（存儲字長為存儲器中的數(shù)據(jù)存放（存儲字長為 32 位）位）地址（十進制）地址（十進制） 0 4 812162024283236雙字雙字雙字（地址雙字（地址32）雙字雙字雙字（地址雙字（地址24）半字（地址半字

7、（地址20）半字（地址半字（地址22）半字（地址半字（地址16）半字（地址半字（地址18）字節(jié)（地址字節(jié)（地址8）字節(jié)（地址字節(jié)（地址9）字節(jié)（地址字節(jié)（地址10）字節(jié)（地址字節(jié)（地址11）字（地址字（地址 4）字（地址字（地址 0）字節(jié)（地址字節(jié)（地址14） 字節(jié)（地址字節(jié)（地址15）字節(jié)（地址字節(jié)（地址13） 字節(jié)（地址字節(jié)（地址12）邊界對準邊界對準地址（十進制）地址（十進制）048字節(jié)字節(jié)( 地址地址7)字節(jié)字節(jié)( 地址地址6)字字( 地址地址2)半字半字( 地址地址10)半字半字( 地址地址8)半字半字( 地址地址0)字字( 地址地址4)邊界未對準邊界未對準 三、操作類型三、操作類型

8、1. 數(shù)據(jù)傳送數(shù)據(jù)傳送源源目的目的寄存器寄存器寄存器寄存器寄存器寄存器寄存器寄存器存儲器存儲器存儲器存儲器存儲器存儲器存儲器存儲器置置“1”，清，清“0”2. 算術(shù)邏輯操作算術(shù)邏輯操作加、減、乘、除、增加、減、乘、除、增 1、減、減 1、求補、浮點運算、十進制運算、求補、浮點運算、十進制運算與、或、非、異或、位操作、位測試、位清除、位求反與、或、非、異或、位操作、位測試、位清除、位求反如如 8086MOVESTORELOADMOVEPUSHPOP例如例如MOVEMOVEADD SUB MUL DIV INC DEC CMP NEG AAA AAS AAM AAD AND OR NOT XOR

9、TEST3. 移位操作移位操作算術(shù)移位算術(shù)移位4. 轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移(1) 無條件轉(zhuǎn)移無條件轉(zhuǎn)移 JMP(2) 條件轉(zhuǎn)移條件轉(zhuǎn)移結(jié)果為零轉(zhuǎn)結(jié)果為零轉(zhuǎn) （Z = 1） JZ結(jié)果溢出轉(zhuǎn)結(jié)果溢出轉(zhuǎn) （O = 1）JO結(jié)果有進位轉(zhuǎn)（結(jié)果有進位轉(zhuǎn)（C = 1）JC跳過一條指令跳過一條指令 SKP循環(huán)移位（帶進位和不帶進位）循環(huán)移位（帶進位和不帶進位）如如300305306307SKP DZ D = 0 則跳則跳邏輯移位邏輯移位完成觸發(fā)器完成觸發(fā)器(3) 調(diào)用和返回調(diào)用和返回CALL SUB1. .CALL SUB2.CALL SUB2RETURNRETURN.主程序主程序地址地址200021002101子程序子

10、程序SUB1240025002501256025612700主存空間分配主存空間分配程序執(zhí)行流程程序執(zhí)行流程子程序子程序SUB2IN AX, nOUT DX, ALOUT n, AXOUT DX, AX(4) 陷阱（陷阱（Trap）與陷阱指令與陷阱指令意外事故的中斷意外事故的中斷 設(shè)置供用戶使用的陷阱指令設(shè)置供用戶使用的陷阱指令如如 8086 INT TYPE 軟中斷軟中斷提供給用戶使用的陷阱指令，完成系統(tǒng)調(diào)用提供給用戶使用的陷阱指令，完成系統(tǒng)調(diào)用5. 輸入輸出輸入輸出 一般不提供給用戶直接使用一般不提供給用戶直接使用 在出現(xiàn)事故時，由在出現(xiàn)事故時，由 CPU 自動產(chǎn)生并執(zhí)行（隱指令）自動產(chǎn)生

11、并執(zhí)行（隱指令）IN AL, DXIN AX, DX入入 端口地址端口地址 CPU 的寄存器的寄存器出出 CPU 的寄存器的寄存器 端口地址端口地址如如如如IN AL, nOUT n, AL尋址方式尋址方式 確定確定 本條指令本條指令 的的 操作數(shù)地址操作數(shù)地址下一條下一條 欲執(zhí)行欲執(zhí)行 指令指令 的的 指令地址指令地址指令尋址指令尋址數(shù)據(jù)尋址數(shù)據(jù)尋址尋址方式尋址方式一、指令尋址一、指令尋址順序順序( PC ) + 1 PC跳躍跳躍由轉(zhuǎn)移指令指出由轉(zhuǎn)移指令指出LDA 1000ADD 1001DEC 1200JMP 7LDA 2000SUB 2001INCSTA 2500LDA 1100.012

12、3456789PC+1指令地址尋址方式指令地址尋址方式指令地址指令地址指令指令順序?qū)ぶ讽樞驅(qū)ぶ?順序?qū)ぶ讽樞驅(qū)ぶ?順序?qū)ぶ讽樞驅(qū)ぶ?跳躍尋址跳躍尋址7順序?qū)ぶ讽樞驅(qū)ぶ?二、數(shù)據(jù)尋址二、數(shù)據(jù)尋址 形式地址形式地址 指令字中的地址指令字中的地址 有效地址有效地址 操作數(shù)的真實地址操作數(shù)的真實地址 約定約定 指令字長指令字長 = 存儲字長存儲字長 = 機器字長機器字長1. 立即尋址立即尋址 指令執(zhí)行階段不訪存指令執(zhí)行階段不訪存 A 的位數(shù)限制了立即數(shù)的范圍的位數(shù)限制了立即數(shù)的范圍形式地址形式地址 A操作碼操作碼尋址特征尋址特征OP # A立即尋址特征立即尋址特征立即數(shù)立即數(shù) 可正可負可正可負 補碼補

13、碼形式地址形式地址 A 就是操作數(shù)就是操作數(shù)2. 直接尋址直接尋址EA = A操作數(shù)操作數(shù)主存主存尋址特征尋址特征LDAAAACC 執(zhí)行階段訪問一次存儲器執(zhí)行階段訪問一次存儲器 A 的位數(shù)決定了該指令操作數(shù)的尋址范圍的位數(shù)決定了該指令操作數(shù)的尋址范圍 操作數(shù)的地址不易修改（必須修改操作數(shù)的地址不易修改（必須修改A）有效地址由形式地址直接給出有效地址由形式地址直接給出3. 隱含尋址隱含尋址操作數(shù)地址隱含在操作碼中操作數(shù)地址隱含在操作碼中ADDA操作數(shù)操作數(shù)主存主存尋址特征尋址特征AACC暫存暫存ALU另一個操作數(shù)另一個操作數(shù)隱含在隱含在 ACC 中中如如 8086MUL 指令指令被乘數(shù)隱含在被乘

14、數(shù)隱含在 AX（16位）或位）或 AL（8位）中位）中MOVS 指令指令源操作數(shù)的地址隱含在源操作數(shù)的地址隱含在 SI 中中目的操作數(shù)的地址隱含在目的操作數(shù)的地址隱含在 DI 中中 指令字中少了一個地址字段，可縮短指令字長指令字中少了一個地址字段，可縮短指令字長4. 間接尋址間接尋址EA =（A） 有效地址由形式地址間接提供有效地址由形式地址間接提供OPA尋址特征尋址特征AEA主存主存EAA1EA A1主存主存 EA10 執(zhí)行指令階段執(zhí)行指令階段 2 次訪存次訪存 可擴大尋址范圍可擴大尋址范圍 便于編制程序便于編制程序OPA尋址特征尋址特征A一次間址一次間址多次間址多次間址操作數(shù)操作數(shù)操作數(shù)操

15、作數(shù)多次訪存多次訪存 子程序子程序主程序主程序8081201202轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 子程序子程序轉(zhuǎn)轉(zhuǎn) 子程序子程序間接尋址編程舉例間接尋址編程舉例(A) = 81(A) = 202 間址特征間址特征JMP A 5. 寄存器尋址寄存器尋址EA = Ri 執(zhí)行階段不訪存，只訪問寄存器，執(zhí)行速度快執(zhí)行階段不訪存，只訪問寄存器，執(zhí)行速度快OPRi尋址特征尋址特征 寄存器個數(shù)有限，可縮短指令字長寄存器個數(shù)有限，可縮短指令字長操作數(shù)操作數(shù)R0RiRn寄存器寄存器有效地址即為寄存器編號有效地址即為寄存器編號EA = ( Ri )6. 寄存器間接尋址寄存器間接尋址 有效地址在寄存器中，有效地址在寄存器中， 操作數(shù)在存儲器

16、中，執(zhí)行階段訪存操作數(shù)在存儲器中，執(zhí)行階段訪存操作數(shù)操作數(shù)主存主存OPRi尋址特征尋址特征 便于編制循環(huán)程序便于編制循環(huán)程序地址地址R0RiRn寄存器寄存器有效地址在寄存器中有效地址在寄存器中7. 基址尋址基址尋址(1) 采用專用寄存器作基址寄存器采用專用寄存器作基址寄存器EA = ( BR ) + ABR 為基址寄存器為基址寄存器OPA操作數(shù)操作數(shù)主存主存尋址特征尋址特征ALUBR 可擴大尋址范圍可擴大尋址范圍 便于程序搬家便于程序搬家 BR 內(nèi)容由操作系統(tǒng)或管理程序確定內(nèi)容由操作系統(tǒng)或管理程序確定 在程序的執(zhí)行過程中在程序的執(zhí)行過程中 BR 內(nèi)容不變，形式地址內(nèi)容不變，形式地址 A 可變可

17、變(2) 采用通用寄存器作基址寄存器采用通用寄存器作基址寄存器操作數(shù)操作數(shù)主存主存尋址特征尋址特征ALUOPR0AR0 作基址寄存器作基址寄存器 由用戶指定哪個通用寄存器作為基址寄存器由用戶指定哪個通用寄存器作為基址寄存器通用寄存器通用寄存器R0Rn-1R1 基址寄存器的內(nèi)容由操作系統(tǒng)確定基址寄存器的內(nèi)容由操作系統(tǒng)確定 在程序的執(zhí)行過程中在程序的執(zhí)行過程中 R0 內(nèi)容不變，形式地址內(nèi)容不變，形式地址 A 可變可變8. 變址尋址變址尋址EA = ( IX ) +AOPA操作數(shù)操作數(shù)主存主存尋址特征尋址特征ALUIX 可擴大尋址范圍可擴大尋址范圍 便于處理數(shù)組問題便于處理數(shù)組問題 IX 的內(nèi)容由用

18、戶給定的內(nèi)容由用戶給定 IX 為變址寄存器（專用）為變址寄存器（專用） 在程序的執(zhí)行過程中在程序的執(zhí)行過程中 IX 內(nèi)容可變，形式地址內(nèi)容可變，形式地址 A 不變不變通用寄存器也可以作為變址寄存器通用寄存器也可以作為變址寄存器例例 設(shè)數(shù)據(jù)塊首地址為設(shè)數(shù)據(jù)塊首地址為 D，求求 N 個數(shù)的平均值個數(shù)的平均值直接尋址直接尋址變址尋址變址尋址LDA DADD D + 1ADD D + 2ADD D + ( N -1 )DIV # NSTA ANSLDA # 0LDX # 0INXCPX # NBNE MDIV # NSTA ANS共共 N + 2 條指令條指令共共 8 條指令條指令A(yù)DD X, DMX

19、 為變址寄存器為變址寄存器D 為形式地址為形式地址(X) 和和 #N 比較比較(X) +1 X結(jié)果不為零則轉(zhuǎn)結(jié)果不為零則轉(zhuǎn)9. 相對尋址相對尋址 EA = ( PC ) + AA 是相對于當前指令的位移量（可正可負，補碼）是相對于當前指令的位移量（可正可負，補碼） A 的位數(shù)決定操作數(shù)的尋址范圍的位數(shù)決定操作數(shù)的尋址范圍 程序浮動程序浮動 廣泛用于轉(zhuǎn)移指令廣泛用于轉(zhuǎn)移指令操作數(shù)操作數(shù)尋址特征尋址特征ALUOPA相對距離相對距離 A1000PC主存主存1000AOP (1) 相對尋址舉例相對尋址舉例M 隨程序所在存儲空間的位置不同而不同隨程序所在存儲空間的位置不同而不同EA = ( M+3 )

20、3 = M 3*LDA # 0LDX # 0ADD X, DINXCPX # NBNE MDIV # NSTA ANSMM+1M+2M+3而指令而指令 BNE 與與 指令指令 ADD X, D 相對位移量不變相對位移量不變 3* 指令指令 BNE操作數(shù)的有效地址為操作數(shù)的有效地址為 3* 相對尋址特征相對尋址特征*(2) 按字節(jié)尋址的相對尋址舉例按字節(jié)尋址的相對尋址舉例OP位移量位移量2000 H2008 H8JMP * + 8OP06 H2000 H2008 H8設(shè)設(shè) 當前指令地址當前指令地址 PC = 2000H轉(zhuǎn)移后的目的地址為轉(zhuǎn)移后的目的地址為 2008H因為因為 取出取出 JMP *

21、 + 8 后后 PC = 2002H二字節(jié)指令二字節(jié)指令故故 JMP * + 8 指令指令 的第二字節(jié)為的第二字節(jié)為 2008H - 2002H = 6H10. 堆棧尋址堆棧尋址(1) 堆棧的特點堆棧的特點堆棧堆棧硬堆棧硬堆棧軟堆棧軟堆棧多個寄存器多個寄存器指定的存儲空間指定的存儲空間先進后出先進后出（一個入出口）（一個入出口） 棧頂?shù)刂窏ｍ數(shù)刂?由由 SP 指出指出 11FFFH +12000 H進棧進棧 （SP） 1 SP出棧出棧 （SP）+ 1 SP棧頂棧頂棧底棧底2000 HSP2000 H1FFF HSP1FFFH棧頂棧頂棧底棧底進棧進棧出棧出棧 1FFF H棧頂棧頂 2000 H棧

22、頂棧頂(2) 堆棧尋址舉例堆棧尋址舉例15200HACCSPX棧頂棧頂200H棧底棧底主存主存151FFHACCSP15棧頂棧頂200H棧底棧底主存主存X1FFHPUSH A 前前PUSH A 后后POP A 前前POP A 后后Y1FFHACCSPX棧頂棧頂200H棧底棧底主存主存151FFH15200HACCSP棧頂棧頂200H棧底棧底主存主存X15(3) SP 的修改與主存編址方法有關(guān)的修改與主存編址方法有關(guān) 按按 字字 編址編址進棧進棧出棧出棧（SP） 1 SP（SP）+ 1 SP 按按 字節(jié)字節(jié) 編址編址存儲字長存儲字長 16 位位進棧進棧出棧出棧（SP） 2 SP（SP）+ 2 S

23、P存儲字長存儲字長 32 位位進棧進棧出棧出棧（SP） 4 SP（SP）+ 4 SP一、設(shè)計指令格式時應(yīng)考慮的各種因素一、設(shè)計指令格式時應(yīng)考慮的各種因素1. 指令系統(tǒng)的指令系統(tǒng)的 兼容性兼容性 （向上兼容）（向上兼容）2. 其他因素其他因素操作類型操作類型數(shù)據(jù)類型數(shù)據(jù)類型指令格式指令格式包括指令個數(shù)及操作的難易程度包括指令個數(shù)及操作的難易程度指令字長、操作碼位數(shù)指令字長、操作碼位數(shù)尋址方式尋址方式寄存器個數(shù)寄存器個數(shù)地址碼位數(shù)、地址個數(shù)地址碼位數(shù)、地址個數(shù)尋址方式、是否采用擴展操作碼尋址方式、是否采用擴展操作碼二、指令格式舉例二、指令格式舉例1. PDP 8指令字長固定指令字長固定 12 位位

24、操作碼操作碼 間間 頁頁 地址碼地址碼訪存類指令訪存類指令0235411寄存器類指令寄存器類指令 1 1 1 輔助操作碼輔助操作碼02 311I/O 類指令類指令 1 1 0 設(shè)備設(shè)備 操作碼操作碼02 311982. PDP 11源地址源地址OP4 6 6 16 16目的地址目的地址存儲器地址存儲器地址1存儲器地址存儲器地址2OP10 6 16目的地址目的地址存儲器地址存儲器地址目的地址目的地址4 6 6源地址源地址OP 10 6目的地址目的地址OP CODE16OP CODE指令字長有指令字長有 16 位、位、32 位、位、48 位三種位三種零地址零地址 (16 位位)一地址一地址 (16 位位)二地址二地址 R R (16 位位)二地址二地址 R M (32 位位)二地址二地址 M M (48 位位)擴展操作碼技術(shù)擴展操作碼技術(shù)3. IBM 360OPR1R2 RR格式格式8 4 4OPR1XBD RX格式格式8 4 4 4 12OPR1R3BD RS格式格式8 4 4 4 12OPBDI SI格式格式8 8 4 12OPB1D1LB2D2 SS格式格式8 8 4 12 4 12二地址二地址 R