川大計(jì)算機(jī)組成原理第二章2 指令系統(tǒng)

2.3指令信息的表示指令：計(jì)算機(jī)要執(zhí)行某種操作的命令，稱為指令。指令系統(tǒng)：一臺(tái)計(jì)算機(jī)所能執(zhí)行的全部指令的集合。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操作碼OP地址碼AD一個(gè)一個(gè)或幾個(gè)1.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。2.地址碼指明與操作數(shù)相關(guān)的信息。2.3.1指令格式對(duì)指令格式，應(yīng)注意如下問題：1）指令字長(zhǎng)需多少位，是定字長(zhǎng)，還是變字長(zhǎng)2）操作碼長(zhǎng)度若長(zhǎng)度為n，則可表示2n條指令。3）地址結(jié)構(gòu)指令中涉及哪些地址，在指令中給出哪些地址，哪些地址隱含約定。4）尋址方式如何獲得操作數(shù)的值，是直接給出還是間接給出，或是經(jīng)過變址計(jì)算獲得。2.3.1.1指令字長(zhǎng)指令字長(zhǎng)與主存的編址單位及CPU的機(jī)器字長(zhǎng)有一定關(guān)系。指令字長(zhǎng)位數(shù)越多，所能表示的操作信息和地址信息也就越多，指令的功能越豐富，但所占空間和時(shí)間也越多。定長(zhǎng)指令格式變長(zhǎng)指令格式便于控制合理利用存儲(chǔ)空間2.3.1.2操作碼格式

操作碼一般在指令格式的前面一個(gè)或幾個(gè)字節(jié)。根據(jù)它可以判明該指令的基本類型及相應(yīng)的字節(jié)數(shù)。1.定長(zhǎng)操作碼各指令中操作碼的位置、位數(shù)固定相同。例：INTEL8088的前6位為操作碼。2.擴(kuò)展操作碼各指令中操作碼的位置、位數(shù)不固定，根據(jù)需要變化。關(guān)鍵在設(shè)置擴(kuò)展標(biāo)志。例.指令字長(zhǎng)16位，可含有3、2、1或0個(gè)地址，每個(gè)地址占4位。操作碼地址碼15~1211~87~43~00000X

Y

Z

1110X

Y

Z............11110000YZ

11111110

YZ............三地址指令15條二地址指令15條1111

11110000Z

111111111110Z............一地址指令15條1111

1111

1111000011111111

11111111............零地址指令16條練習(xí)1.設(shè)指令系統(tǒng)指令字長(zhǎng)是12位，每個(gè)地址長(zhǎng)3位，該指令系統(tǒng)有一地址、二地址和三地址三種格式。假設(shè)該指令系統(tǒng)有6條三地址指令，12條二地址指令，請(qǐng)問一地址指令有多少條？

2.某計(jì)算機(jī)指令字長(zhǎng)16位，每個(gè)地址是6位，指令有零地址、一地址和二地址三種格式，設(shè)有二地址指令N條，零地址指令M條，試問一地址指令最多有多少條？練習(xí)答案1、解：指令字長(zhǎng)是12位，每個(gè)地址長(zhǎng)3位。

6條三地址指令，12條二地址指令。操作碼

地址碼11~98~65~32~0三地址指令6條23–6=2（（23-6）*23–12）*23=32000X

YZ101

X

YZ............二地址指令12條23*2=1616-12=4110

000

YZ110

111

YZ............111

000

YZ111

011

YZ............一地址指令？23*4練習(xí)答案2、解：指令字長(zhǎng)16位，每個(gè)地址是6位二地址指令N條，零地址指令M條

設(shè)一地址指令有X條（（24-N）*26-X）*26=M

得：X=（24-N）*26-M*2-62.3.1.2操作碼格式3.單功能型或復(fù)合型操作碼復(fù)合型操作碼:操作碼分為幾部分，每部分表示一種操作。例如：NOVA系列和ECLIPSE系列的算邏指令01234567815基本操作進(jìn)位移位回送判跳操作數(shù)2.3.1.3地址結(jié)構(gòu)指令中提供的地址數(shù)存儲(chǔ)單元地址碼寄存器編號(hào)1.指令提供地址的方式顯地址方式:指令中明顯指明地址。隱地址方式:地址隱含約定,如事先隱含約定操作數(shù)在某個(gè)寄存器中或在堆棧中,不出現(xiàn)在指令中。直接或間接給出使用隱地址可以減少指令中的地址數(shù)，簡(jiǎn)化地址結(jié)構(gòu)。2.3.1.3地址結(jié)構(gòu)2.地址結(jié)構(gòu)1）四地址指令操作數(shù)地址格式：OPD1D2D3D4結(jié)果地址下條指令地址功能：(D1)OP(D2)D3(D4)下條指令2.3.1.3地址結(jié)構(gòu)2）三地址指令格式：操作數(shù)地址OPD1D2D3結(jié)果地址下條指令地址功能：轉(zhuǎn)移時(shí)，用轉(zhuǎn)移地址修改PC內(nèi)容。(D1)OP(D2)D3(PC)+nPC用指令計(jì)數(shù)器PC指示指令地址?，F(xiàn)行指令所占字節(jié)數(shù)2.3.1.3地址結(jié)構(gòu)3）二地址指令格式：目的OPD1D2

源功能：(D1)OP(D2)D1(PC)+nPC2.3.1.3地址結(jié)構(gòu)4）一地址指令格式：雙操作數(shù)：OPD1隱含約定單操作數(shù)：功能：(D1)OP(A)A(PC)+nPCOP(D1)D1(PC)+nPC5）零地址指令格式：OP

功能：a.用于堆棧：((SP))OP((SP)+1)(SP)+1(SP)+1SP棧頂內(nèi)容棧頂下一單元內(nèi)容新棧頂指向新棧頂例.ADD；執(zhí)行前：低b.操作數(shù)隱含指令：SP102046SP3046執(zhí)行后：高低高OP(A)A(PC)+nPC2.3.2尋址方式什么叫尋址方式？

指令中提供操作數(shù)或提供操作數(shù)地址的方式，稱為尋址方式或編址方式。

一個(gè)指令系統(tǒng)采用什么樣的尋址方式與存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)及其存取方式有關(guān)。2.3.2.1存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)與存取方式1.在指令中

通過指令可直接獲得操作數(shù)。2.CPU中的寄存器

訪問時(shí)只需給出寄存器號(hào)或隱含約定（根據(jù)操作碼）。稱為可編址寄存器。3.主存

訪問時(shí)應(yīng)給出相應(yīng)的存儲(chǔ)單元號(hào)2.3.2.1存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)與存取方式4.堆棧

堆棧的操作在棧頂實(shí)現(xiàn)，棧頂?shù)刂酚卸褩Ｖ羔樇拇嫫鱏P給出，用隱地址訪問。5.外設(shè)訪問時(shí)，主機(jī)通過外設(shè)中的相關(guān)寄存器實(shí)現(xiàn)與外設(shè)的I/O傳送。可將這些寄存器與主存統(tǒng)一編址，或?yàn)槠浞峙鋵ｉT的I/O端口地址。2.3.2.2常見尋址方式立即尋址方式由指令直接給出操作數(shù)。操作碼OP立即數(shù)S定長(zhǎng)格式：變長(zhǎng)格式：基本指令

立即數(shù)S數(shù)在指令中，其長(zhǎng)度固定、有限。數(shù)在基本指令之后，其長(zhǎng)度可變。用來(lái)提供常數(shù)、設(shè)置初值等。2.3.2.2常見尋址方式直接尋址方式

指令直接給出操作數(shù)地址存儲(chǔ)單元號(hào)寄存器號(hào)(數(shù)在M中)(數(shù)在R中)操作碼OP寄存器號(hào)R（1）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S=（R）2.3.2.2常見尋址方式例.指令：INCR11000HR02000HR13A00HR23C00HR32.3.2.2常見尋址方式（2）存儲(chǔ)器直接尋址操作碼OP有效地址D（直接尋址）定長(zhǎng)格式變長(zhǎng)格式基本指令

DLDHD的位數(shù)可覆蓋整個(gè)存儲(chǔ)空間S=（D）2.3.2.2常見尋址方式例.指令：INC2000H1000H1A00H2000H1B00H...M直接尋址主要用于訪問固定的存儲(chǔ)單元或寄存器。2.3.2.2常見尋址方式3.間接尋址方式指令給出操作數(shù)的間接地址。存儲(chǔ)單元號(hào)寄存器號(hào)(數(shù)在M中)(數(shù)在M中)格式（1）存儲(chǔ)器間址操作碼OP間接地址DD=00300060...0060S...S=((D))M間址單元地址指針間址單元地址操作數(shù)地址操作數(shù)MM2.3.2.2常見尋址方式（2）寄存器間址操作碼OP寄存器號(hào)R格式R所占位數(shù)少；R可提供全字長(zhǎng)地址碼；修改R內(nèi)容比修改M內(nèi)容快。S=((R))R=02M0040S.........地址指針0040寄存器號(hào)操作數(shù)地址操作數(shù)RM2.3.2.2常見尋址方式（3）自增型寄存器間址寄存器號(hào)操作數(shù)地址操作數(shù)RM（R）+1先操作后修改（4）自減型寄存器間址寄存器號(hào)操作數(shù)地址操作數(shù)RM寄存器內(nèi)容減1先修改后操作2.3.2.2常見尋址方式（5）堆棧尋址格式操作碼OP堆棧指針SP

SPS=((SP))0070棧頂SP既可出現(xiàn)在指令中，也可隱含約定。M低高堆棧向上生成壓棧：SP自動(dòng)減1，再存數(shù)。-(SP)，自減型間址。先取數(shù)，SP再自動(dòng)加1。(SP)+，自增型間址。出棧：S.........2.3.2.2常見尋址方式（6）多重間址存儲(chǔ)器多重間址：間址單元地址操作數(shù)地址操作數(shù)MM間址單元地址M

寄存器多重間址寄存器號(hào)操作數(shù)地址操作數(shù)RM間址單元地址M2.3.2.2常見尋址方式4.變址、基址及其變化（1）變址尋址方式

指令給出一個(gè)寄存器號(hào)和一個(gè)地址量，寄存器內(nèi)容與地址量之和為有效地址。變址寄存器號(hào)S=((RX)+D)格式操作碼OPRXD形式地址變址量基準(zhǔn)地址2.3.2.2常見尋址方式例.用變址方式訪問一組連續(xù)區(qū)間內(nèi)的數(shù)組元素。D=首址D為存儲(chǔ)區(qū)首址；(RX)為所訪單元距離首址的長(zhǎng)度；RX初值為0，每訪問一個(gè)單元，(RX)+1。n-1...012...D+1D+2D+n-1

...2.3.2.2常見尋址方式（2）基址尋址方式

指令給出一個(gè)寄存器號(hào)和一個(gè)地址量，寄存器內(nèi)容與地址量之和為有效地址。格式基址寄存器號(hào)Rb4K操作碼OPRbD位移量S=((Rb)+D)基準(zhǔn)地址相對(duì)于基址的位移M......…...…...Rb4KD=2D=22.3.2.2常見尋址方式便于訪問兩維數(shù)組中某類指定的元素。比如：4K4KRbM......…...…...RbD=2D=2學(xué)生姓名性別性別年齡年齡學(xué)生姓名2.3.2.2常見尋址方式變址與基址的區(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?；罚褐噶钐峁┪灰屏?不變)，R提供基準(zhǔn)量(可變)；用于擴(kuò)大有限字長(zhǎng)指令的訪存空間。2.3.2.2常見尋址方式（3）基址加變址方式

指令給出兩個(gè)寄存器號(hào)和一個(gè)地址量，寄存器內(nèi)容與地址量之和為有效地址。S=((Rb)+(RX)+D)格式基址寄存器號(hào)位移量操作碼OPRbRXD便于處理兩維數(shù)組。變址寄存器號(hào)2.3.2.2常見尋址方式例.訪問二維表格。S=((Rb)+(RX)+D)

令：(Rb)+(Rx)指向各行起始；

D指向一行中各元素。(Rb)+(Rx)D（Rb）為表格首址

Rx初值為0，每訪問一行，(RX)+4；

D初值為0，每訪問一列，D+1。2.3.2.2常見尋址方式（4）相對(duì)尋址方式

指令給出位移量，PC內(nèi)容與位移量之和為有效地址。格式位移量操作碼OPPC

±D程序計(jì)數(shù)器，由寄存器號(hào)選定或隱含指定S=((PC)±D)有效地址相對(duì)PC上下浮動(dòng),給編程帶來(lái)方便。（5）頁(yè)面尋址方式

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。格式位移量操作碼OPPC

D或隱含指定S=((PC)H，D)頁(yè)號(hào)頁(yè)內(nèi)地址PC0165H017CHD=7C............S用于頁(yè)式管理存儲(chǔ)系統(tǒng)。尋址速度快，適于組織程序模塊，有效利用存儲(chǔ)空間。2.3.2.2常見尋址方式相關(guān)問題：尋址方式如何表示?

（1）指令中設(shè)置專門字段說(shuō)明尋址方式例.某機(jī)指令的每個(gè)地址字段中各設(shè)置一個(gè)3位的尋址方式字段。操作碼OP尋址方式R尋址方式R目的地址字段源地址字段3位3位2.3.2.2常見尋址方式（2）操作碼隱含說(shuō)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2.3.2.3堆棧操作1.堆棧的存取規(guī)則：“先進(jìn)后出”。2.堆棧的硬件設(shè)置：

一端固定，另一端浮動(dòng)。設(shè)置堆棧指針SP指向浮動(dòng)端。3.堆棧的工作方式：（1）向上生成方式（P57圖2-16）（2）向下生成方式（P59圖2-19）（3）棧頂固定方式（P60圖2-20）2.3.3指令的功能和類型不同的機(jī)種，對(duì)指令的分類方法不同。通常有三類：1.按指令格式分類

分為雙操作數(shù)指令、單操作數(shù)指令、程序轉(zhuǎn)移指令等。2.按操作數(shù)尋址方式分類

如IBM370，其指令可分為：RR型、RX型、RS型、SI型及SS型。3.按指令功能分類可分為傳送指令、訪存指令、算術(shù)運(yùn)算指令、邏輯運(yùn)算指令、I/O指令、程序控制類指令、處理機(jī)控制類指令等。2.3.3.1傳送類指令機(jī)器的絕大部分操作（數(shù)據(jù)傳送、字符串處理、堆棧操作、輸入/輸出操作等），從廣義角度看，都可以歸結(jié)為信息的傳送，或在傳送過程中作了運(yùn)算處理。源地址目的地址數(shù)

傳送指令一次可以傳送一個(gè)數(shù)據(jù)或一批數(shù)據(jù)，有些機(jī)器設(shè)置了數(shù)據(jù)交換指令，可實(shí)現(xiàn)雙向傳送。2.3.3.1傳送類指令在設(shè)置傳送指令時(shí)，應(yīng)考慮三個(gè)方面：規(guī)定傳送范圍

(1)寄存器與寄存器

(2)存儲(chǔ)器與寄存器

(3)I/O接口寄存器與主機(jī)——傳送指令——訪存指令——I/O指令2.3.3.1傳送類指令2.指明傳送單位傳送指令用某種方式指明數(shù)據(jù)是按字節(jié)、字、雙字還是數(shù)組為單位進(jìn)行傳送。例.VAX11(用操作碼說(shuō)明)：80X86(用地址量說(shuō)明)：MOVB

8MOV

AX，BX

(16)MOVW

16MOVL

32MOV

AL，BL

(8)MOV

EAX，EBX

(32)2.3.3.1傳送類指令3.設(shè)置尋址方式傳送指令以什么方式給出數(shù)據(jù)的源地址和目的地址，這涉及到尋址方式的選擇。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)。2.3.3.2輸入/輸出指令

這是用來(lái)實(shí)現(xiàn)主機(jī)與外部設(shè)備之間進(jìn)行信息交換的一類指令。以主機(jī)為基準(zhǔn)，信息由外部設(shè)備傳向主機(jī)稱為輸入(Input)，信息由主機(jī)傳給外部設(shè)備稱為輸出(Output)。各種信息主機(jī)外設(shè)2.3.3.2輸入/輸出指令在設(shè)置輸入/輸出指令時(shí)，應(yīng)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(duì)各種具體設(shè)備的控制？（1）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(shí)再約定其含義。用于外設(shè)種類、數(shù)量不多的場(chǎng)合。2.3.3.2輸入/輸出指令（2）I/O接口中設(shè)置控制/狀態(tài)寄存器如何設(shè)置控制/狀態(tài)寄存器是接口設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

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。2.3.3.2輸入/輸出指令2.主機(jī)對(duì)外設(shè)的尋址方式尋找I/O接口中的寄存器的方式。（1）單獨(dú)編址編址到設(shè)備：每個(gè)設(shè)備有各自的設(shè)備編碼；I/O指令中給出設(shè)備碼，并指明訪問該設(shè)備的哪個(gè)寄存器。編址到寄存器：為每個(gè)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。2.3.3.2輸入/輸出指令I(lǐng)/O地址空間不占主存空間，可與主存空間重疊。=1訪問存儲(chǔ)器=0訪問I/O端口需設(shè)置標(biāo)志區(qū)分訪問對(duì)象，如M/IO2.3.3.2輸入/輸出指令（2）統(tǒng)一編址編址到寄存器：為每個(gè)寄存器(I/O端口)分配總線地址；訪問外設(shè)時(shí)，指令中給出總線地址。I/O端口占據(jù)部分主存空間。常將存儲(chǔ)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。2.3.3.2輸入/輸出指令3.I/O指令設(shè)置方式（1）設(shè)置專用I/O指令針對(duì)單獨(dú)編址，用I/O指令訪問I/O端口。指令中說(shuō)明輸入/輸出操作，并給出設(shè)備碼或端口地址。2.3.3.2輸入/輸出指令例.80X86I/O指令設(shè)置輸入：INAL，n；端口地址(n)AL輸出：OUTn，AL；(AL)n2.3.3.2輸入/輸出指令（2）用通用傳送指令實(shí)現(xiàn)I/O操作

（隱式I/O指令）針對(duì)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)置兩個(gè)寄存器：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1775522.3.3.2輸入/輸出指令主機(jī)調(diào)用輸入機(jī)：控制/狀態(tài)字格式：出錯(cuò)故障忙完成

允許中斷

維護(hù)

校驗(yàn)

啟動(dòng)：測(cè)試：取數(shù)：主機(jī)

177550(CSR)控制字(啟動(dòng)位為1)MOV指令主機(jī)177550(CSR)

狀態(tài)字MOV指令主機(jī)177552(DBR)

數(shù)據(jù)MOV指令2.3.3.2輸入/輸出指令（3）通過I/O處理機(jī)進(jìn)行I/O操作CPU執(zhí)行簡(jiǎn)單I/O指令

(啟動(dòng)、停止、查詢、清除)兩級(jí)I/O指令I(lǐng)/O處理機(jī)執(zhí)行I/O操作指令

(輸入、輸出……)2.3.3.3算術(shù)邏輯運(yùn)算指令算術(shù)運(yùn)算指令主要有加ADD、減SUB、加1INC、減1DEC、求補(bǔ)NEG等基本運(yùn)算指令。目前主流微型計(jì)算機(jī)還設(shè)置了乘除運(yùn)算指令和浮點(diǎn)運(yùn)算指令。設(shè)置時(shí)需考慮：操作數(shù)類型、符號(hào)、進(jìn)制等；運(yùn)算結(jié)束后設(shè)置相應(yīng)狀態(tài)標(biāo)志。2.3.3.3算術(shù)邏輯運(yùn)算指令2.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。主要的邏輯運(yùn)算指令有：邏輯與、邏輯或、邏輯非、異或四種。實(shí)現(xiàn)對(duì)代碼位的設(shè)置、測(cè)試、清除、修改等。與或異或2.3.3.3算術(shù)邏輯運(yùn)算指令（1）利用“邏輯或”作按位設(shè)置目的操作數(shù)A：11000

10屏蔽字B：0000101AORB：1100111（2）利用“邏輯與”按位測(cè)試目的操作數(shù)A：11001

010屏蔽字B：00001000AANDB：000010002.3.3.3算術(shù)邏輯運(yùn)算指令（3）利用“邏輯與”作按位清除目的操作數(shù)A：11001

010屏蔽字B：11110111AANDB：11000010（4）利用“異或”按位修改目的操作數(shù)A：11001

010屏蔽字B：11111000AEORB：001100102.3.3.4程序控制指令主要用于控制指令執(zhí)行的順序，即控制程序的流程。1.轉(zhuǎn)移指令：無(wú)條件轉(zhuǎn)移條件轉(zhuǎn)移循環(huán)：操作碼轉(zhuǎn)移地址如：JMPBX：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2.3.3.4程序控制指令2.轉(zhuǎn)子程序指令與返回指令：主程序在執(zhí)行過程中需要調(diào)用子程序時(shí)，執(zhí)行一條轉(zhuǎn)子指令，程序便轉(zhuǎn)到子程序的入口地址；子程序在執(zhí)行完后，使用一條返回指令取出返回地址，從而返回到主程序。在轉(zhuǎn)入子程序時(shí)，將其保存起來(lái)轉(zhuǎn)子指令：操作碼子程序入口返回指令：操作碼返回地址2.3.3.4程序控制指令返回地址的存取方式（1）用子程序的第一個(gè)字單元存放返回地址主程序子程序A子程序BD1D2多重轉(zhuǎn)子：D1D2主程序D1子程序AD12.3.3.4程序控制指令（2）用寄存器存放返回地址返回地址1寄存器R轉(zhuǎn)子指令子程序存儲(chǔ)器返回地址1返回地址2……返回地址1返回地址2返回地址2（3）用堆棧保存返回地址SP主程序子程序A子程序BD1D2......D1SPD2主程序子程序A子程序BD1D2