計(jì)算機(jī)組成原理(第二版)第5章指令系統(tǒng)課件

1、第5章 指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)組成原理(第二版) 清華大學(xué)出版社教學(xué)目標(biāo)教學(xué)重點(diǎn)教學(xué)過(guò)程7/29/20221第1頁(yè)，共50頁(yè)。教學(xué)目標(biāo)了解指令系統(tǒng)的發(fā)展與性能要求掌握指令格式和尋址方式7/29/20222第2頁(yè)，共50頁(yè)。教學(xué)重點(diǎn)指令格式擴(kuò)展操作碼尋址方式7/29/20223第3頁(yè)，共50頁(yè)。教學(xué)過(guò)程5.1 計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)的發(fā)展與性能5.2 指令的格式5.3 尋址方式5.4 指令的分類與高級(jí)語(yǔ)言5.5 典型指令系統(tǒng)5.6 例題解析7/29/20224第4頁(yè)，共50頁(yè)。5.1計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)的發(fā)展與性能指令系統(tǒng)決定了計(jì)算機(jī)的基本功能，指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)核心問(wèn)題。它不僅與計(jì)算機(jī)的硬件設(shè)

2、計(jì)緊密相關(guān)，而且直接影響到系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的難易程度。完善的計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)應(yīng)具備：1、完備性：一臺(tái)計(jì)算機(jī)中最基本的、必不可少的指令構(gòu)成了指令系統(tǒng)的完備性。2、有效性：指利用該指令系統(tǒng)所提供的指令編制的程序能夠產(chǎn)生高效率。高效率主要表現(xiàn)在空間和時(shí)間方面，即占用存儲(chǔ)空間小、執(zhí)行速度快。3、規(guī)整性：指令操作的對(duì)稱性和勻齊性，指令格式與數(shù)據(jù)格式的一致性。（1）對(duì)稱性：在指令系統(tǒng)中，所有寄存器和存儲(chǔ)單元都可同等對(duì)待，這對(duì)簡(jiǎn)化程序設(shè)計(jì)，提高程序的可讀性非常有用。（2）勻齊性：是指一種操作性質(zhì)的指令可以支持各種數(shù)據(jù)類型。（3）指令的格式與數(shù)據(jù)格式的一致性：指令長(zhǎng)度與數(shù)據(jù)長(zhǎng)度有一定關(guān)系，以方便存取和處理。4、兼

3、容性：兼容性一般是指計(jì)算機(jī)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)基本相同，機(jī)器之間具有相同的基本結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)表示和共同的基本指令集合。7/29/20225第5頁(yè)，共50頁(yè)。5.2指令的格式計(jì)算機(jī)的指令格式與機(jī)器的字長(zhǎng)、存儲(chǔ)器的容量及指令的功能密切相關(guān)。7/29/20226第6頁(yè)，共50頁(yè)。5.2.1指令操作碼與地址碼 （1/9）兩個(gè)字段：操作碼字段+操作數(shù)地址字段：1.操作碼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。（1）每條指令都要求它的操作碼必須是獨(dú)一無(wú)二的位組合。（2）指令系統(tǒng)中指令的個(gè)數(shù)N與操作碼的位數(shù)n，必須滿足關(guān)系式： N2n2.操作數(shù)地址碼（1）地址碼：用來(lái)描述該指令的操作對(duì)象。（2）指

4、令字長(zhǎng)=操作碼的位數(shù)+(操作數(shù)地址個(gè)數(shù))*(操作數(shù)地址碼位數(shù)) 地址碼字段AC操作碼字段OC7/29/20227第7頁(yè)，共50頁(yè)。5.2.1指令操作碼與地址碼 （2/9）一、指令格式1.零地址指令格式這是一種沒(méi)有操作數(shù)地址部分的指令格式。這種指令有兩種可能：（1）無(wú)需任何操作數(shù)。如空操作指令，停機(jī)指令等。（2）所需的操作數(shù)是默認(rèn)的：堆棧。操作碼OC7/29/20228第8頁(yè)，共50頁(yè)。5.2.1指令操作碼與地址碼 （3/9）A、堆棧的概念 （a）是若干個(gè)存儲(chǔ)單元(或寄存器)的有序集合，它順序地存放一組元素。 （b）數(shù)據(jù)的存取都只能在棧頂單元內(nèi)進(jìn)行，即數(shù)據(jù)的進(jìn)棧與出棧都只能經(jīng)過(guò)棧頂單元這個(gè)“出入

5、口”。 （c）堆棧中的數(shù)據(jù)采用“先進(jìn)后出”或“后進(jìn)先出”的存取工作方式。B、堆棧結(jié)構(gòu)在計(jì)算機(jī)中的作用 （a）具有堆棧結(jié)構(gòu)的機(jī)器使用零地址指令，這不僅合指令長(zhǎng)度短，指令結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，機(jī)器硬件簡(jiǎn)化。 （b）實(shí)現(xiàn)程序調(diào)用，子程序嵌套調(diào)用和遞歸調(diào)用。 （c）對(duì)于“中斷”技術(shù)，堆棧更是不可缺少的，保存“斷點(diǎn)”和“現(xiàn)場(chǎng)”。7/29/20229第9頁(yè)，共50頁(yè)。5.2.1指令操作碼與地址碼 （4/9）C、堆棧的操作設(shè)數(shù)據(jù)進(jìn)棧方向?yàn)閺母叩刂废虻偷刂钒l(fā)展，當(dāng)向堆棧壓入數(shù)據(jù)時(shí)，SP的內(nèi)容先自動(dòng)遞減而指向一個(gè)新的空棧頂單元，再把數(shù)據(jù)寫入此棧頂單元；當(dāng)數(shù)據(jù)彈出堆棧時(shí)，立即讀出SP所指向的棧頂單元內(nèi)容，再把SP內(nèi)容自動(dòng)遞增

6、而指向新的棧頂位置。即 PUSH X；(SP)-1SP (X)(SP) POP X； (SP)X (SP)+1SP7/29/202210第10頁(yè)，共50頁(yè)。5.2.1指令操作碼與地址碼 （5/9）2.一地址指令格式（1）指令中給出的一個(gè)地址即是操作數(shù)的地址，又是操作結(jié)果的存儲(chǔ)地址。如加1、減1、移位等單操作數(shù)指令。（2）在某些計(jì)算機(jī)中，指令中提供的一個(gè)地址提供一個(gè)操作數(shù)，另一個(gè)操作數(shù)是由機(jī)內(nèi)硬件寄存器“隱含”地自動(dòng)提供的。所謂“隱含”是指此操作數(shù)在指令中不出現(xiàn)，而是按照事先約定由寄存器默認(rèn)提供，運(yùn)算結(jié)果仍送到寄存器中。因?yàn)檫@個(gè)寄存器在連續(xù)運(yùn)算時(shí)，保存著多條指令連續(xù)操作的累計(jì)結(jié)果，故稱為累加器(

7、AC)。AC1操作碼OC7/29/202211第11頁(yè)，共50頁(yè)。5.2.1指令操作碼與地址碼 （6/9）3.二地址指令格式 （1）把保存操作前原來(lái)操作數(shù)的地址稱為源點(diǎn)地址(SS)，把保存指令執(zhí)行結(jié)果的地址稱為終點(diǎn)地址或目的地址(DD)。 （2）將源點(diǎn)與終點(diǎn)操作數(shù)進(jìn)行操作碼規(guī)定的操作后，將結(jié)果存入終點(diǎn)地址。通常二地址指令又稱為雙操作數(shù)指令。例如，雙操作數(shù)加法指令：ADD R0，R1表示將R0寄存器的內(nèi)容和R1寄存器的內(nèi)容相加以后，將結(jié)果存入R1寄存器中。又如ADD (R0)，R1表示將R0寄存器的內(nèi)容作為地址，到內(nèi)存中取出該地址所指向的單元內(nèi)容作為源點(diǎn)操作數(shù)，和作為終點(diǎn)操作數(shù)的R1寄存器的內(nèi)容

8、相加以后，將結(jié)果存入R1寄存器中。AC1操作碼OCAC27/29/202212第12頁(yè)，共50頁(yè)。5.2.1指令操作碼與地址碼 （7/9）4.三地址指令格式其操作是對(duì)AC1、AC2指出的兩個(gè)操作數(shù)進(jìn)行操作碼所規(guī)定的操作，并將結(jié)果存入AC3中。例如： ADD X Y Z 含義為 （X）+（Y）Z 即X單元內(nèi)容加上Y單元內(nèi)容，結(jié)果送Z單元中。 AC1操作碼OCAC3AC27/29/202213第13頁(yè)，共50頁(yè)。5.2.1指令操作碼與地址碼 （8/9）5.多地址指令格式例如四地址指令格式。（1）含義： ADD X Y Z WA、（X）+（Y）ZB、（W）下一條指令地址（2）特點(diǎn)： A、直觀明了；

9、B、程序執(zhí)行的流向明確； C、操作數(shù)和結(jié)果可以分散在內(nèi)存各處。 D、但是指令字長(zhǎng)度太長(zhǎng)。AC1操作碼OCAC4AC3AC27/29/202214第14頁(yè)，共50頁(yè)。5.2.1指令操作碼與地址碼 （9/9）指令格式設(shè)計(jì)準(zhǔn)則 1、指令字長(zhǎng)要短，以得到時(shí)間和空間上的優(yōu)勢(shì)。 2、指令字長(zhǎng)必須有足夠的長(zhǎng)度。 3、指令字長(zhǎng)一般應(yīng)是機(jī)器字符長(zhǎng)度的整數(shù)倍以便存儲(chǔ)系統(tǒng)的管理。若機(jī)器中字符碼長(zhǎng)是L位，則機(jī)器字長(zhǎng)最好是L，2L，4L，8L等。 4、指令格式的設(shè)計(jì)還與如何選定指令中操作數(shù)地址的位數(shù)有關(guān)。例如，對(duì)同一容量(如64KB)的存儲(chǔ)器 （1）若取存儲(chǔ)單元為一字節(jié)長(zhǎng)，則需要16位地址碼， （2）若存儲(chǔ)單元長(zhǎng)度為3

10、2位，則只需14位地址碼。方案（1）對(duì)字符操作方便，但地址碼位數(shù)多，方案（2）地址碼位數(shù)少，很有利，但字符操作困難，分辯率低。（存儲(chǔ)器分辯率：指存儲(chǔ)器能被區(qū)分、識(shí)別與操作的精細(xì)程度）7/29/202215第15頁(yè)，共50頁(yè)。5.2.2指令字長(zhǎng)與擴(kuò)展方法 （1/3）一、操作碼和地址碼間的權(quán)衡（操作碼有兩種編碼格式） 1、固定格式：操作碼長(zhǎng)度固定，且集中放在指令字的一個(gè)字段中。 2、可變格式：即操作碼長(zhǎng)度可變，且分散地放在指令字的不同字段中。二、擴(kuò)展操作碼 1、要點(diǎn)： （1）操作碼位數(shù)隨地址碼個(gè)數(shù)變化采取可變長(zhǎng)度的類型； （2）指令間指令碼一定不重復(fù)； （3）根據(jù)需要靈活變通。7/29/20221

11、6第16頁(yè)，共50頁(yè)。5.2.2指令字長(zhǎng)與擴(kuò)展方法 （2/3）2、比較假設(shè)一臺(tái)計(jì)算機(jī)指令字長(zhǎng)16位，操作碼與地址碼都為4位，如圖所示。 （1）方法一：固定格式，則最多可以設(shè)計(jì)16條三地址指令圖10-3 陣列處理機(jī)結(jié)構(gòu)AC1操作碼OCAC3AC27/29/202217第17頁(yè)，共50頁(yè)。5.2.2指令字長(zhǎng)與擴(kuò)展方法 （3/3）（2）方法二：擴(kuò)展操作碼，具體方法如下： A、4位OC中用0000-1110定義15條三地址指令，留編碼1111作為擴(kuò)展標(biāo)志與下一個(gè)4位組成一個(gè)8位操作碼，引出二地址指令，則： B、（a）若將AC1全部用作2地址指令的OC，能再定義16條2地址指令； （b）8位OC中用11

12、110000-11111110定義15條二地址指令，剩下的一個(gè)編碼11111111與下一個(gè)4位組成一個(gè)12位的操作碼，引出一地址指令； （c）選1111000011111101共14條2地址指令，留11111110，11111111為擴(kuò)展標(biāo)志，再與AC2組合，以此類推。 C、若選B（c），則可定義31條1地址指令，留一個(gè)編碼111111111111為擴(kuò)展標(biāo)志，與下一個(gè)4位組成16位操作碼，引出16條零地址指令；3、擴(kuò)展操作碼的另一個(gè)演變是用操作碼中的某一位或幾位來(lái)說(shuō)明指令的格式與長(zhǎng)度，或是說(shuō)明操作數(shù)的特征。例如：小型機(jī)PDP-11是用操作碼最左邊一位(最高位15位)來(lái)指明指令操作處理的數(shù)據(jù)字長(zhǎng)

13、度，當(dāng)?shù)?5位=0，是字指令，操作數(shù)是16位長(zhǎng)的字；當(dāng)15位=1，是字節(jié)指令，操作數(shù)是8位長(zhǎng)的字節(jié)。7/29/202218第18頁(yè)，共50頁(yè)。5.3 尋址方式 （1/11）一、尋址方式的設(shè)計(jì)1、目的 (1)豐富程序設(shè)計(jì)手段，提高程序質(zhì)量； (2)減少訪問(wèn)主存的次數(shù)，壓縮程序占用的存儲(chǔ)空間。保證指令的地址碼字段盡可能縮短，而訪問(wèn)的存儲(chǔ)空間盡可能地大。2、 概念（1）形式地址：指令中直接給出的地址；（2）有效地址：操作數(shù)所在的真實(shí)地址；（3）尋址方式：從形式地址生成有效地址的各種方式稱為尋址方式。7/29/202219第19頁(yè)，共50頁(yè)。5.3 尋址方式 （2/11）3、尋址方式選用的依據(jù)（1）要

14、與數(shù)據(jù)的表示方式相配合，對(duì)各種結(jié)構(gòu)的數(shù)據(jù)能方便地進(jìn)行存取和處理；（2）要與指令系統(tǒng)相匹配，依據(jù)對(duì)機(jī)器性能要求的高低來(lái)考慮選擇；（3）還要考慮硬件實(shí)現(xiàn)的可能性與復(fù)雜程度，成本高低，設(shè)備與價(jià)格增加的合理性。4、區(qū)分尋址方式的方法（1） 在指令中劃出一個(gè)字段，用二進(jìn)制編碼來(lái)標(biāo)志所采用的類型，此編碼稱尋址方式碼；（2）使用隱含尋址方式，用操作碼隱含尋址方式。7/29/202220第20頁(yè)，共50頁(yè)。5.3 尋址方式 （3/11）二、常用的尋址方式 1、立即尋址方式（1）含義：地址字段給出的是可以立即使用的操作數(shù)實(shí)際值，稱立即尋址方式。（2）優(yōu)缺點(diǎn)： A、優(yōu)點(diǎn)：提供操作數(shù)最快 B、缺點(diǎn)：精度較低，可采用

15、變字長(zhǎng)格式解決。 例如：在IBM-PC指令系統(tǒng)中 MOVAX，05FFH7/29/202221第21頁(yè)，共50頁(yè)。5.3 尋址方式 （4/11）2、直接尋址方式 （1）含義：地址字段直接指明操作數(shù)在存儲(chǔ)器內(nèi)的位置的尋址方法。即形式地址等于有效地址， （2）缺點(diǎn)：直接尋址方式中指令字長(zhǎng)限制了一條指令所能夠訪問(wèn)的最大主存空間，可以使用可變字長(zhǎng)指令格式來(lái)解決此局限性。利用擴(kuò)大了的操作數(shù)地址碼就能全部訪問(wèn)主存儲(chǔ)器的所有的存儲(chǔ)單元。 例如：在IBM-PC指令系統(tǒng)中MOVAX，3000H7/29/202222第22頁(yè)，共50頁(yè)。5.3 尋址方式 （5/11）3、間接尋址方式（1）含義：指令字中地址碼字段給

16、出的不是操作數(shù)地址，而是操作數(shù)地址的地址。（2）優(yōu)缺點(diǎn)： A、優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)便，對(duì)編程帶來(lái)較大的靈活性，靈活性表現(xiàn)在：間接尋址方式的指令可以訪問(wèn)大的存儲(chǔ)空間，擴(kuò)大了指令的尋址能力。當(dāng)操作數(shù)地址改變時(shí)，只需修改間接地址指示器的單元內(nèi)容，而不必修改指令，原指令的功能照樣實(shí)現(xiàn)。這給程序編制帶來(lái)很大方便。 B、缺點(diǎn)：多次訪問(wèn)內(nèi)存，增加了指令的執(zhí)行時(shí)間；占用主存儲(chǔ)器單元多。（3）間接尋址可分為一級(jí)間接尋址和多級(jí)間接尋址。 例如：在IBM-PC指令系統(tǒng)中 MOV AX，BX7/29/202223第23頁(yè)，共50頁(yè)。5.3 尋址方式 （6/11）4、變址尋址方式 （1）含義：把指令字中的形式地址A與地址修改量

17、X自動(dòng)相加，X可正可負(fù)，形成操作數(shù)的有效地址EA。即：EA=A+X。其中，與形式地址相加的數(shù)X是一個(gè)地址修改量，稱為“變址值”，保存變址值的設(shè)備稱為變址器。 （2）硬件開(kāi)銷： A、變址器 B、有效地址形成邏輯例如：在IBM-PC指令系統(tǒng)中MOVAX，COUNTSI7/29/202224第24頁(yè)，共50頁(yè)。5.3 尋址方式 （7/11）5、基址尋址方式（1）含義：EA=A+X。其中，X是基址R，A是偏移量。（2）與變址尋址的區(qū)別： 基址R，用戶程序無(wú)權(quán)操作和修改，由系統(tǒng)軟件管理控制程序使用特權(quán)指令來(lái)管理的。（3）基址尋址方式主要用以解決程序在存儲(chǔ)器中的定位和擴(kuò)大尋址空間等問(wèn)題。7/29/2022

18、25第25頁(yè)，共50頁(yè)。5.3 尋址方式 （8/11）6、相對(duì)尋址方式 （1）含義：把程序計(jì)數(shù)器PC作為基本地址寄存器，指令字中的形式地址碼作為位移量，則有效地址EA=(PC)+A。相對(duì)尋址主要用于轉(zhuǎn)移指令。 （2）特點(diǎn)：（A）位移量可正、可負(fù)，通常用補(bǔ)碼表示。若位移量為n位，正向有2n-1-1個(gè)位置，負(fù)向有2n-1個(gè)位置，程序可以直接訪問(wèn)的實(shí)際存儲(chǔ)空間是2n個(gè)位置的小塊，或稱為一頁(yè)。（B）位移量是操作數(shù)位置與本指令之間的相對(duì)距離。7/29/202226第26頁(yè)，共50頁(yè)。5.3 尋址方式 （9/11）7、寄存器尋址方式 （1）含義：把指令字中的地址碼用寄存器編號(hào)來(lái)代替，寄存器的作用由尋址方式

19、碼來(lái)指定。 （2）優(yōu)點(diǎn)： A、有效壓縮指令字長(zhǎng) B、加快存取速度 C、編程靈活（3）寄存器尋址方式的變化： A、寄存器直接尋址方式 例如在PDP-11機(jī)中：ADD R0，R1 B、寄存器間接尋址方式 例如在PDP-11機(jī)中：ADD R0，R1 又如在PDP-11機(jī)中：ADD R0，R17/29/202227第27頁(yè)，共50頁(yè)。5.3 尋址方式 （10/11）8、復(fù)合尋址方式： （A）變址間址尋址方式其含義是先將變址寄存器的內(nèi)容X和形式地址A相加得到A+X，然后再作間接尋址，得到操作數(shù)的有效地址。故操作數(shù)的有效地址為：EA=(A+X) （B）間址變址尋址方式含義是先將形式地址取間接變換（A）=N

20、，然后把N和變址寄存器的內(nèi)容X相加，得到操作數(shù)的有效地址。故操作數(shù)的有效地址為：EA=N+X=（A）+X （C）Intel 8086/8088中基址變址尋址方式基址寄存器可以采用BX或BP，變址寄存器可以用SI或DI，有效地址是通過(guò)將基址寄存器中的值、變址寄存器中的值和位移量三這相加而求得的。7/29/202228第28頁(yè)，共50頁(yè)。5.3 尋址方式 （11/11）8、復(fù)合尋址方式：（D）分頁(yè)尋址方式若計(jì)算機(jī)中欲采用直接尋址方式，但由于其訪問(wèn)的內(nèi)存地址空間受指令中地址碼字段長(zhǎng)度的制約，若內(nèi)存空間較大，則可采用分頁(yè)尋址方式來(lái)解決。將指令中操作數(shù)地址碼可以訪問(wèn)到的內(nèi)存地址空間稱為一頁(yè)，則整個(gè)內(nèi)存空

21、間可以按頁(yè)的大小分為多個(gè)頁(yè)面。例如設(shè)內(nèi)存儲(chǔ)器容量為64K個(gè)單元，而指令中地址碼長(zhǎng)度為9位，則每一頁(yè)有512個(gè)單元，可將內(nèi)存空間劃分為64K/512=128頁(yè)。為訪問(wèn)128頁(yè)，需要7位代碼來(lái)表示頁(yè)號(hào)。若預(yù)先將頁(yè)號(hào)送入頁(yè)號(hào)寄存器，把頁(yè)號(hào)寄存器的內(nèi)容與指令寄存器中形式地址兩者拼接起來(lái)，就能獲得一個(gè)可以訪問(wèn)整個(gè)內(nèi)存空間的有效地址。7/29/202229第29頁(yè)，共50頁(yè)。5.4 指令的分類與高級(jí)語(yǔ)言5.4.1 指令系統(tǒng)的分類5.4.2 指令系統(tǒng)與高級(jí)語(yǔ)言7/29/202230第30頁(yè)，共50頁(yè)。5.4.1 指令系統(tǒng)的分類 （1/9）1. 數(shù)據(jù)傳送類指令寄存器至寄存器（R-R：Register-Regi

22、ster）存儲(chǔ)器至寄存器（S-R：Storage-Register）寄存器至存儲(chǔ)器（R-S:：Register-Storage）存儲(chǔ)器至存儲(chǔ)器（S-S：Storage-Storage）7/29/202231第31頁(yè)，共50頁(yè)。5.4.1 指令系統(tǒng)的分類 （2/9）2. 運(yùn)算類指令 加法，減法，乘法和除法等指令。7/29/202232第32頁(yè)，共50頁(yè)。5.4.1 指令系統(tǒng)的分類 （3/9）3. 邏輯運(yùn)算指令 邏輯運(yùn)算主要是對(duì)布爾變量的運(yùn)算。 基本操作：包括邏輯與，邏輯或與邏輯非3種基本操作； 組合邏輯操作：例如：異或。（1）邏輯與指令：（2）邏輯或指令：（3）邏輯非指令：（4）邏輯異或指令：

23、算術(shù)邏輯運(yùn)算指令除了給出運(yùn)算結(jié)果外，往往還要給出某些狀態(tài)信息。如運(yùn)算結(jié)果的正、負(fù)；運(yùn)算結(jié)果是否為零；是否有溢出；是否有低位向高位的進(jìn)位等，供其它指令或程序分析時(shí)使用。7/29/202233第33頁(yè)，共50頁(yè)。5.4.1 指令系統(tǒng)的分類 （4/9）4. 移位指令算術(shù)移位：左移或右移（右移時(shí)符號(hào)位不變）邏輯移位：左移或右移（右移時(shí)符號(hào)位補(bǔ)0）循環(huán)移位：左移或右移。7/29/202234第34頁(yè)，共50頁(yè)。5.4.1 指令系統(tǒng)的分類 （5/9）5. 程序控制類指令 （1）轉(zhuǎn)移指令：包括無(wú)條件轉(zhuǎn)移指令和條件轉(zhuǎn)移指令。（2）轉(zhuǎn)子與返回指令：子程序是一組可以共享的指令序列，可被主程序調(diào)用執(zhí)行。轉(zhuǎn)子指令與轉(zhuǎn)

24、移指令之間最大的差別在于：轉(zhuǎn)移指令無(wú)需返回，而轉(zhuǎn)子指令則需要。子程序調(diào)用指令就是用來(lái)調(diào)用子程序的。為了能夠從子程序中正確返回到斷點(diǎn)繼續(xù)執(zhí)行，并能支持多重嵌套和遞歸調(diào)用，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)通常用堆棧來(lái)保存返回地址。（3）程序中斷指令：中斷一般是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)異常情況或特殊請(qǐng)求時(shí)隨機(jī)產(chǎn)生的。一般在計(jì)算機(jī)中，中斷指令作為隱指令不提供用戶使用。但在某些計(jì)算機(jī)中設(shè)置了可供用戶使用的中斷指令，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能調(diào)用和程序請(qǐng)求。如IBM PC的中斷指令，PDP-11的自陷指令等。7/29/202235第35頁(yè)，共50頁(yè)。5.4.1 指令系統(tǒng)的分類 （6/9）6. 輸入輸出類指令 用來(lái)處理機(jī)與外部設(shè)備之間進(jìn)行通信的一類指

25、令。以處理機(jī)為基準(zhǔn)，信息由外部設(shè)備傳向處理機(jī)稱為輸入(Input)，信息由處理機(jī)傳給外部設(shè)備稱為輸出(Output)。一元化總線的計(jì)算機(jī)如PDP-11，不需設(shè)置專門的I/O指令，可以用一般的數(shù)據(jù)傳送類指令實(shí)現(xiàn)輸入和輸出；對(duì)于主存和外設(shè)不采用統(tǒng)一編址技術(shù)的計(jì)算機(jī)來(lái)說(shuō)，則需要有專門的I/O指令，如IBM PC就是一個(gè)典型的例子。7/29/202236第36頁(yè)，共50頁(yè)。5.4.1 指令系統(tǒng)的分類 （7/9）7. 字符串處理指令 非數(shù)值處理能力；字符串處理指令一般包括字符串傳送、比較、查詢、轉(zhuǎn)換等指令。7/29/202237第37頁(yè)，共50頁(yè)。5.4.1 指令系統(tǒng)的分類 （8/9）8. 處理機(jī)控制類

26、指令 包括停機(jī)指令、等待指令、空操作指令、開(kāi)中斷指令、關(guān)中斷指令、設(shè)置條件碼指令等。7/29/202238第38頁(yè)，共50頁(yè)。5.4.1 指令系統(tǒng)的分類 （9/9）9. 特權(quán)指令 這類指令只能用于操作系統(tǒng)或其它系統(tǒng)軟件，而不提供給用戶使用，稱特權(quán)指令。一般來(lái)說(shuō)，在單用戶、單任務(wù)的計(jì)算機(jī)中不一定需要特權(quán)指令，而在多用戶、多任務(wù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，特權(quán)指令卻是必不可少的。它主要用于系統(tǒng)資源的分配和管理，包括改變系統(tǒng)的工作方式、檢測(cè)用戶的訪問(wèn)權(quán)限、修改虛擬存儲(chǔ)器管理的段表、頁(yè)表和完成任務(wù)的創(chuàng)建和切換等。7/29/202239第39頁(yè)，共50頁(yè)。5.4.2 指令系統(tǒng)與高級(jí)語(yǔ)言 （1/2）1、傳統(tǒng)的馮諾依曼

27、計(jì)算機(jī)的機(jī)器語(yǔ)言和高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言在語(yǔ)義上的差別的主要原因（1）存儲(chǔ)器組織方式不同 馮諾依曼計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器是一維的線性結(jié)構(gòu)，而高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言表示的存儲(chǔ)器則是一組變量，訪問(wèn)時(shí)調(diào)用變量即可，不必考慮訪問(wèn)方法，而且數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)經(jīng)常是多維的，如數(shù)組結(jié)構(gòu)。（2）高級(jí)程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言中，高級(jí)語(yǔ)言中的每種操作對(duì)于任何數(shù)據(jù)類型都是通用的，數(shù)據(jù)類型直接屬于數(shù)據(jù)本身，而馮諾依曼計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)本身沒(méi)有屬性標(biāo)志，同一種操作要用不同的操作碼來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)類型進(jìn)行區(qū)分。這些差別間的變換工作，主要由編譯程序來(lái)承擔(dān)。 7/29/202240第40頁(yè)，共50頁(yè)。5.4.2 指令系統(tǒng)與高級(jí)語(yǔ)言 （2/2）2、計(jì)算機(jī)指令結(jié)構(gòu)分類兩大類：（1）復(fù)

28、雜指令集計(jì)算機(jī)（ CISC： Complex Instruction Set Computer） 指令系統(tǒng)十分龐大，指令類型、尋址方式較多，機(jī)器語(yǔ)言和高級(jí)語(yǔ)言之間的語(yǔ)義差距正在縮小。（2）精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)（ RISC：Reduced Instruction Set Computer）。選用使用頻率最高的少數(shù)指令，盡量使所有的簡(jiǎn)單指令在一個(gè)機(jī)器周期內(nèi)執(zhí)行完，采用大量的寄存器、高速緩沖存儲(chǔ)器等技術(shù)，通過(guò)優(yōu)化編譯程序，提高處理速度。機(jī)器語(yǔ)言和高級(jí)語(yǔ)言的差距較大，這個(gè)差距主要靠提高計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度和配置優(yōu)化編譯程序來(lái)彌補(bǔ)。7/29/202241第41頁(yè)，共50頁(yè)。5.5典型指令系統(tǒng)5.5.1 PDP-1

29、1和VAX-11指令系統(tǒng)5.5.2 TEC-2指令系統(tǒng)7/29/202242第42頁(yè)，共50頁(yè)。5.5.1 PDP-11和VAX-11指令系統(tǒng)（1/6） PDP-11是16位小型機(jī)，CPU中有8個(gè)通用寄存器（R0-R7），其中R6作為堆棧指示器SP使用；R7作為程序計(jì)數(shù)器PC使用；其它6個(gè)寄存器R0-R5作為通用數(shù)據(jù)寄存器。國(guó)產(chǎn)DJS-1800系列計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)與PDP-11系列機(jī)是兼容的。VAX-11/780是DEC公司于是1977年推出的VAX系列機(jī)的第一個(gè)產(chǎn)品，將PDP-11結(jié)構(gòu)從16位擴(kuò)充到32位。VAX-11有16個(gè)通用寄存器，R14是SP，R15相當(dāng)于PC。7/29/202243

30、第43頁(yè)，共50頁(yè)。5.5.1 PDP-11和VAX-11指令系統(tǒng)（2/6）PDP-11機(jī)指令1、單操作數(shù)指令，如清零（CLR）、加1（INC）、減1（DEC）、求補(bǔ)（NEG）、字節(jié)交換（SWAB）等指令； 2、雙操作數(shù)指令，如傳送（MOV）、比較（CMP）、加（ADD）、減（SUB）、乘（MUL）、除（DIV）、異或（XOR）等指令； 3、轉(zhuǎn)移指令，如無(wú)條件轉(zhuǎn)移（BR）、非零轉(zhuǎn)移（BEN）、零轉(zhuǎn)移（BEQ）、正轉(zhuǎn)移（BPL）、負(fù)轉(zhuǎn)移（BMI）等指令； 4、跳轉(zhuǎn)、子程序及自中斷指令，如跳轉(zhuǎn)（JMP）、轉(zhuǎn)子（JSR）、子程序返回（RTS）、自中斷（TRAP）等指令； 5、條件碼操作指令，如清進(jìn)位

31、（CLC）、置進(jìn)位（SEC）、清零位（CLZ）、置零位（SEZ）、清條件碼（CCC）、置條件碼（SCC）等指令； 6、其它指令，如停機(jī)（HALT）、等待（WAIT）、復(fù)位（RESET）、空操作（NOP）等指令。7/29/202244第44頁(yè)，共50頁(yè)。5.5.1 PDP-11和VAX-11指令系統(tǒng)（3/6）PDP-11機(jī)指令現(xiàn)以典型的單操作數(shù)、雙操作數(shù)指令和轉(zhuǎn)移指令為例說(shuō)明指令格式：（1）單操作數(shù)指令指令格式：其中第6-15位表示操作碼；第0-5位組成一個(gè)6位的字段，既是源地址字段又是目的地址字段。第0-2位表示所用的寄存器號(hào)，第3-5位表示尋址方式碼。方式位(5-3位)OC(15-6位)R(2-0位)7/29/202245第45頁(yè)，共50頁(yè)。5.5.1 PDP-11和VAX