組成第十講-指令系統(tǒng)

第5章

指令系統(tǒng)5.1指令系統(tǒng)的發(fā)展5.2指令格式5.3數(shù)據(jù)表示5.4尋址方式（編址方式）5.5指令類型5.6指令系統(tǒng)的兼容性5.7精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)（RISC）和復(fù)雜指令系統(tǒng)（CISC）5.8指令系統(tǒng)舉例5.9機(jī)器語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言和高級(jí)語(yǔ)言1計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.1指令系統(tǒng)的發(fā)展計(jì)算機(jī)系統(tǒng)主要由硬件和軟件兩部分組成。軟件最終轉(zhuǎn)換成一系列機(jī)器指令后在計(jì)算機(jī)上執(zhí)行。每條指令規(guī)定機(jī)器完成一定的功能。指令系統(tǒng)：一臺(tái)計(jì)算機(jī)中所有機(jī)器指令的集合稱為這臺(tái)計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)。指令系統(tǒng)是表征一臺(tái)計(jì)算機(jī)性能的重要因素，它的格式與功能不僅直接影響到機(jī)器的硬件結(jié)構(gòu)，而且也直接影響到系統(tǒng)軟件，影響到機(jī)器的適用范圍。2計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.1指令系統(tǒng)的發(fā)展20世紀(jì)50年代和60年代早期：計(jì)算機(jī)所支持的指令系統(tǒng)只有定點(diǎn)加減、邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送和轉(zhuǎn)移等十幾至幾十條最基本的指令；尋址方式簡(jiǎn)單。60年代后中、后期：指令系統(tǒng)越來(lái)越豐富，增加了設(shè)置乘除法運(yùn)算指令、浮點(diǎn)運(yùn)算指令、十進(jìn)制運(yùn)算指令以及字符串處理指令等，指令數(shù)達(dá)一、二百條；尋址方式趨于多樣化。3計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.1指令系統(tǒng)的發(fā)展為了滿足各計(jì)算機(jī)上的軟件的兼容性，以便在舊機(jī)器上編制的各種軟件也能在新的、性能更好的機(jī)器上正確運(yùn)行，因此，在60年代出現(xiàn)了系列計(jì)算機(jī)。系列計(jì)算機(jī)：基本指令系統(tǒng)相同，基本體系結(jié)構(gòu)相同的一系列計(jì)算機(jī)。IBM370系列、VAX－11系列、IBMPC（XT/AT/286/386/486/Pentium）微機(jī)系列系列機(jī)能解決軟件兼容問(wèn)題的必要條件是該系列的各機(jī)種有共同的指令集，而且新推出的機(jī)種的指令系統(tǒng)一定包含舊機(jī)種的所有指令，因此，在舊機(jī)種上運(yùn)行的各種軟件可以不加任何修改地在新機(jī)種上運(yùn)行。4計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.1指令系統(tǒng)的發(fā)展指令系統(tǒng)決定了計(jì)算機(jī)的基本功能，因此指令系統(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。指令系統(tǒng)不僅與計(jì)算機(jī)的硬件設(shè)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。各計(jì)算機(jī)執(zhí)行的指令系統(tǒng)決定了機(jī)器所要求的能力，同時(shí)也決定了指令的格式和機(jī)器的結(jié)構(gòu)。不同結(jié)構(gòu)的機(jī)器和不同的指令格式應(yīng)該具有與之相匹配的指令系統(tǒng)。為此，設(shè)計(jì)指令系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)重視以下幾個(gè)方面：指令格式類型操作功能5計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.1指令系統(tǒng)的發(fā)展一個(gè)完善的指令系統(tǒng)應(yīng)滿足如下幾方面的要求：完備性：是指用匯編語(yǔ)言編寫(xiě)各種程序時(shí)，指令系統(tǒng)直接提供的指令足夠使用，而不必用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。完備性要求指令系統(tǒng)豐富、功能齊全、使用方便。有效性：是指利用該指令系統(tǒng)所編寫(xiě)的程序能夠高效率地運(yùn)行。高效率主要表現(xiàn)在程序占據(jù)存儲(chǔ)空間小、執(zhí)行速度快。規(guī)整性：包括指令系統(tǒng)的對(duì)稱性、勻齊性、指令格式和數(shù)據(jù)格式的一致性。6計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.1指令系統(tǒng)的發(fā)展對(duì)稱性：在指令系統(tǒng)中所有的寄存器和存儲(chǔ)器單元都可同等對(duì)待，所有的指令都可使用各種尋址方式。勻齊性：一種操作性質(zhì)的指令可以支持各種數(shù)據(jù)類型；兼容性：至少要能做到“向上兼容”，即低檔機(jī)上運(yùn)行的軟件可以在高檔機(jī)上運(yùn)行。7計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.1指令系統(tǒng)的發(fā)展計(jì)算機(jī)的性能與它所設(shè)置的指令系統(tǒng)有很大關(guān)系，而指令系統(tǒng)的設(shè)置又與機(jī)器的硬件結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。通常性能較好的計(jì)算機(jī)都設(shè)置有功能齊全、通用性強(qiáng)、指令豐富的指令系統(tǒng)，但這需要復(fù)雜的硬件結(jié)構(gòu)來(lái)支持。8計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.1指令系統(tǒng)的發(fā)展然而，指令結(jié)構(gòu)太復(fù)雜也會(huì)帶來(lái)一些不利的因素，如設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，正確性難以保證且不易維護(hù)等。實(shí)驗(yàn)證明，在如今龐大的指令系統(tǒng)中，只有諸如算術(shù)、邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送、轉(zhuǎn)移和子程序調(diào)用等幾十條最基本的指令才是經(jīng)常使用的，而需要大量硬件支持的大多數(shù)較復(fù)雜的指令卻利用率很低，造成硬件資源上的極大浪費(fèi)。9計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：64816第5章

指令系統(tǒng)5.1指令系統(tǒng)的發(fā)展5.2指令格式5.3數(shù)據(jù)表示5.4尋址方式（編址方式）5.5指令類型5.6指令系統(tǒng)的兼容性5.7精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)（RISC）和復(fù)雜指令系統(tǒng)（CISC）5.8指令系統(tǒng)舉例5.9機(jī)器語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言和高級(jí)語(yǔ)言10計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.2指令格式從計(jì)算機(jī)組成的層次結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，指令分為：微指令：是微程序級(jí)的命令，它屬于硬件；宏指令：是由若干條機(jī)器指令組成的軟件指令，它屬于軟件；機(jī)器指令：則介于微指令與宏指令之間，通常簡(jiǎn)稱為指令。每一條指令可完成一個(gè)獨(dú)立的算術(shù)運(yùn)算或邏輯運(yùn)算操作。本章所討論的指令，是機(jī)器指令。11計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.2指令格式5.2.1指令格式5.2.2指令操作碼的擴(kuò)展技術(shù)5.2.3指令長(zhǎng)度與字長(zhǎng)的關(guān)系12計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.2.1指令格式計(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)。根據(jù)不同的機(jī)器，指令的格式也是多樣化的，為了使硬件能執(zhí)行不同類型的操作，指令必須是二進(jìn)制編碼。指令字一般為計(jì)算機(jī)的一個(gè)字長(zhǎng)度，在該字中包含操作碼、地址碼、各種特征和校驗(yàn)碼等信息。13計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.2.1指令格式一條指令應(yīng)包含如下信息：進(jìn)行何種操作：即操作性質(zhì)。體現(xiàn)在指令中被稱為操作碼。操作的對(duì)象：數(shù)據(jù)來(lái)源以及如何尋找操作數(shù)。體現(xiàn)在指令中被稱為地址碼。操作結(jié)果：結(jié)果存放在何處。下一條指令的地址：順序執(zhí)行時(shí)，下條指令的地址由計(jì)數(shù)器（PC）指出；當(dāng)改變程序的運(yùn)行順序（如轉(zhuǎn)移、調(diào)用子程序）時(shí)，下條指令的地址才由指令給出。14計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.2.1指令格式表示一條指令的機(jī)器字，就稱為指令字，通常簡(jiǎn)稱指令。指令字長(zhǎng)度：一個(gè)指令字中包含二進(jìn)制代碼的位數(shù)。機(jī)器字長(zhǎng)：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。指令格式：是指令字用二進(jìn)制代碼表示的結(jié)構(gòu)形式。15計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.2.1指令格式指令由操作碼和地址碼兩部分組成，它的基本格式如下：操作碼地址碼16計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.2.1指令格式操作碼操作碼是說(shuō)明指令操作性質(zhì)的二進(jìn)制數(shù)代碼。操作碼字段表征指令的操作特性與功能；指令的操作碼表示該指令應(yīng)進(jìn)行什么性質(zhì)的操作，如進(jìn)行加法、減法、乘法、除法、取數(shù)、存數(shù)等等。操作碼所占的二進(jìn)制位數(shù)決定了一臺(tái)計(jì)算機(jī)所能允許的指令條數(shù)。例如，操作碼占用六位二進(jìn)制碼時(shí)，這臺(tái)計(jì)算機(jī)最多允許有：

26＝64條指令17計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.2.1指令格式組成操作碼字段的位數(shù)一般取決于計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)的規(guī)模。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。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：N≤2n18計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.2.1指令格式地址碼地址碼字段通常指定參與操作的操作數(shù)地址和運(yùn)算結(jié)果的地址。根據(jù)一條指令中有幾個(gè)操作數(shù)地址，可將該指令稱為幾操作數(shù)指令或幾地址指令。指令中的地址碼用來(lái)指出該指令的源操作數(shù)地址（一個(gè)或兩個(gè)）、結(jié)果地址及下一條指令的地址。這里的地址可以是主存地址，也可以是寄存器地址，甚至可以是I/O設(shè)備的地址。目前二地址和一地址指令格式用的最多。19計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.2.1指令格式零地址指令零地址指令的指令字中只有操作碼，而沒(méi)有地址碼。指令格式：執(zhí)行零地址指令時(shí)，被運(yùn)算的操作數(shù)地址全部是隱含的，指令格式中只說(shuō)明作什么操作。這種指令有兩種可能：無(wú)需任何操作數(shù)。如空操作指令，停機(jī)指令等。所需的操作數(shù)是默認(rèn)的：堆棧。OP20計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.2.1指令格式一地址指令指令中只給出一個(gè)操作數(shù)地址，另一個(gè)操作數(shù)地址和目的地址則是隱含的。這個(gè)隱含的地址就是運(yùn)算器的累加寄存器AC。一地址指令常稱為單操作數(shù)指令。指令格式：操作：（AC）OP（A）→AC指令中給出的一個(gè)地址既是操作數(shù)的地址，又是操作結(jié)果的存儲(chǔ)地址。OPA21計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.2.1指令格式指令中提供的一個(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（AC）。22計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.2.1指令格式采用一地址指令編寫(xiě)的程序，其指令在內(nèi)存中也要順序存放，由程序計(jì)數(shù)器自動(dòng)增量控制其順序執(zhí)行。程序轉(zhuǎn)向時(shí)，也用轉(zhuǎn)移指令改變程序的執(zhí)行方向。在程序執(zhí)行前，必須用一條“取數(shù)指令”把其中一個(gè)操作數(shù)放到累加寄存器中。程序結(jié)束后，累加寄存器的內(nèi)容已被修改。若要將累加寄存器中的結(jié)果送回內(nèi)存，則必須使用“存數(shù)指令”。完成一條指令只需兩次訪存。23計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.2.1指令格式二地址指令二地址指令有兩個(gè)地址碼字段A1和A2，分別指明參與操作的兩個(gè)數(shù)在內(nèi)存中或運(yùn)算器通用寄存器的地址，其中地址A2兼做存放操作結(jié)果的地址。指令格式：操作：（A1）OP（A2）→A2OP：操作碼；A1：第一操作數(shù)地址；A2：既作第二操作數(shù)地址，又作目的地址。OPA1A224計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.2.1指令格式把保存操作前原來(lái)操作數(shù)的地址稱為源點(diǎn)地址，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。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。25計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.2.1指令格式使用二地址指令編寫(xiě)的程序，其指令在內(nèi)存中也要依次存放，才能用程序計(jì)數(shù)器自動(dòng)增量使之順序執(zhí)行。若程序發(fā)生轉(zhuǎn)向時(shí)，也必須用轉(zhuǎn)移指令改變程序的執(zhí)行順序。當(dāng)二地址指令執(zhí)行之后，A2中的內(nèi)容被修改了。有的機(jī)器規(guī)定A1為目的地址，這時(shí)則是A1的內(nèi)容被修改了。26計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.2.1指令格式在二地址指令格式中，從操作數(shù)的物理位置來(lái)說(shuō)，可歸結(jié)為三種類型：存儲(chǔ)器－存儲(chǔ)器（SS）型指令：訪問(wèn)內(nèi)存的指令格式寄存器－寄存器（RR）型指令：訪問(wèn)寄存器的指令格式寄存器－存儲(chǔ)器（RS）型指令27計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.2.1指令格式三地址指令三地址指令字中有三個(gè)操作數(shù)地址A1，A2和A3。指令格式：操作：（A1）OP（A2）→A3其操作是對(duì)A1、A2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A3中。OPA1A2A328計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.2.1指令格式多地址指令格式例如四地址指令格式。指令格式：操作：（A1）OP（A2）→A3OP：操作碼；A1：第一地址碼，存放第一操作數(shù)；A2：第二地址碼，存放第二操作數(shù)；A3：第三地址碼，存放操作結(jié)果；A4：第四地址碼，存放下條要執(zhí)行指令的地址。OPA1A2A3A429計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.2.1指令格式多地址指令格式的特點(diǎn)：直觀明了；程序執(zhí)行的流向明確；操作數(shù)和結(jié)果可以分散在內(nèi)存各處。但是指令字長(zhǎng)度太長(zhǎng)。這種指令直觀易懂，后續(xù)指令的地址可任意填寫(xiě)。因?yàn)槌绦蛑写蟛糠种噶疃际琼樞驁?zhí)行的，當(dāng)采用指令計(jì)數(shù)器后，A4地址可以省去。30計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.2.1指令格式指令格式設(shè)計(jì)準(zhǔn)則指令字長(zhǎng)要短，以得到時(shí)間和空間上的優(yōu)勢(shì)。指令字長(zhǎng)必須有足夠的長(zhǎng)度。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，則指令字長(zhǎng)最好是L，2L，4L，8L等。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)。31計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.2.1指令格式指令格式舉例：8位微型機(jī)：字長(zhǎng)只有8位，指令格式包含單字長(zhǎng)指令、雙字長(zhǎng)指令、三字長(zhǎng)指令等多種。內(nèi)存按字節(jié)編址，所以單字長(zhǎng)指令每執(zhí)行一條指令后，指令地址加１。雙字長(zhǎng)指令或三字長(zhǎng)指令每執(zhí)行一條指令時(shí)，指令地址要加2或加3，可見(jiàn)多字長(zhǎng)的指令格式不利于提高機(jī)器速度。Pentium指令格式：指令字長(zhǎng)度是可變的：從1字節(jié)到12字節(jié)，還可以帶前綴（對(duì)其后的指令本身進(jìn)行顯示約定，每個(gè)前綴占１個(gè)字節(jié)）。32計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.2指令格式5.2.1指令格式5.2.2指令操作碼的擴(kuò)展技術(shù)5.2.3指令長(zhǎng)度與字長(zhǎng)的關(guān)系33計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.2.2指令操作碼的擴(kuò)展技術(shù)操作碼字段分兩種：固定長(zhǎng)度操作碼固定長(zhǎng)度操作碼是指操作碼所占的二進(jìn)制位數(shù)固定不變，而且集中放在指令字的一個(gè)字段中。這種格式有利于簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)，減少指令譯碼時(shí)間，廣泛用于字長(zhǎng)較長(zhǎng)的大、中型計(jì)算機(jī)和超級(jí)小型計(jì)算機(jī)中。例如IBM370和VAX﹣11系列機(jī)中，操作碼的長(zhǎng)度都是8位，可表示256條指令。34計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.2.2指令操作碼的擴(kuò)展技術(shù)可變長(zhǎng)度操作碼可變長(zhǎng)度操作碼是操作碼擴(kuò)展技術(shù)的應(yīng)用，即操作碼的長(zhǎng)度是可變的，且分散地放在指令的不同字段中。這種格式有利于壓縮程序中操作碼的平均長(zhǎng)度，在字長(zhǎng)較短的微型機(jī)中被廣泛應(yīng)用。如：PDP－11，INTEL8086/80386等，其操作碼的長(zhǎng)度均是可變的。35計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.2.2指令操作碼的擴(kuò)展技術(shù)PDP/11系列機(jī)指令格式36計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.2.2指令操作碼的擴(kuò)展技術(shù)下圖是一種擴(kuò)展操作碼的安排示意。這是一個(gè)16位字長(zhǎng)的指令碼，包括4位基本操作碼字段和三個(gè)4位長(zhǎng)的地址字段。4位基本操作碼，若全部用于三地址指令，則有16條。顯然，4位基本操作碼是不夠的，必須向地址碼字段擴(kuò)展操作作碼的長(zhǎng)度。

OP

A1

A2

A3

4位4位4位4位37計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.2.2指令操作碼的擴(kuò)展技術(shù)15條三地址指令的操作碼由4位基本操作碼0000~1110所給定，剩下一個(gè)1111則用于把操作碼擴(kuò)展到X地址碼字段，即由4位擴(kuò)展到8位；38計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.2.2指令操作碼的擴(kuò)展技術(shù)14條二地址指令的操作碼由8位操作碼的1111,0000~1111,1101給定，剩下的1111,1110和1111,1111又可用于把操作碼擴(kuò)充到Y(jié)地址字段，即從8位又?jǐn)U充到12位；39計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.2.2指令操作碼的擴(kuò)展技術(shù)31條一地址指令的操作碼由12位操作碼的1111,1110,0000~1111,1111,1110給定。15條三地址指令14條二地址指令31條一地址指令

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111111100001ZZZZ

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┆0000XXXXYYYYZZZZ40計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.2.2指令操作碼的擴(kuò)展技術(shù)由此類堆，還可以把剩下的1111,1111,1111擴(kuò)充到Z地址碼字段而形成的16位操作碼，這時(shí)還可由1111,1111,1111,0000~1111,1111,1111,1111給出16條零地址指令。

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1111000111111111

1111

111116零41計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.2.2指令操作碼的擴(kuò)展技術(shù)除了這種安排外，還有多種其它安排方法。如：形成15條三地址指令，15條二地址指令，15條一地址指令，16條零地址指令，共61條指令。實(shí)際的機(jī)器可以采用各種靈活的擴(kuò)展方式，其思路與此類似。42計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.2.2指令操作碼的擴(kuò)展技術(shù)上述方法是在不增加指令長(zhǎng)度的情況下，采用對(duì)地址少的指令使用較長(zhǎng)的操作碼，對(duì)地址數(shù)多的指令使用較短的操作碼。其實(shí)質(zhì)是增加了指令的數(shù)量，豐富了指令的功能。在可變長(zhǎng)操作碼的指令系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，究竟使用何種擴(kuò)展方法為好，指令的使用頻度（即在程序中出現(xiàn)的概率）是非常重要的依據(jù)。即頻度高的指令應(yīng)分配短的操作碼，頻度低的指令則分配較長(zhǎng)的操作碼。這樣，既可有效地縮短操作碼在程序中的平均長(zhǎng)度，節(jié)省存儲(chǔ)空間，又可縮短常用指令的譯碼時(shí)間以提高程序的運(yùn)行速度。其缺點(diǎn)是譯碼系統(tǒng)比固定操作碼復(fù)雜，增加了設(shè)計(jì)控制器的難度，需要更多的硬件作支持。43計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.2指令格式5.2.1指令格式5.2.2指令操作碼的擴(kuò)展技術(shù)5.2.3指令長(zhǎng)度與字長(zhǎng)的關(guān)系44計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.2.3指令長(zhǎng)度與字長(zhǎng)的關(guān)系機(jī)器字長(zhǎng)機(jī)器字長(zhǎng)度簡(jiǎn)稱字長(zhǎng)，指計(jì)算機(jī)能直接處理的二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位數(shù)。字長(zhǎng)是計(jì)算機(jī)中的一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)，字長(zhǎng)越長(zhǎng)，計(jì)算機(jī)的運(yùn)算精度越高；字長(zhǎng)還能反映指令的直接尋址能力，若字長(zhǎng)n位全用來(lái)尋址，可直接尋址2n個(gè)字節(jié)。為了便于處理字符數(shù)據(jù)及盡可能地利用存儲(chǔ)空間，一般把機(jī)器字長(zhǎng)定為字節(jié)長(zhǎng)度（8位）的整數(shù)倍，即是8位、16位、32位或64位。微型、小型機(jī)的字長(zhǎng)多為8位、16位和32位，中、大型機(jī)的字長(zhǎng)多為32位和64位。因此，一個(gè)字中可以存儲(chǔ)1個(gè)、2個(gè)、4個(gè)或8個(gè)字符。45計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.2.3指令長(zhǎng)度與字長(zhǎng)的關(guān)系指令字長(zhǎng)指令字的長(zhǎng)度取決于操作碼的長(zhǎng)度、操作數(shù)地址的長(zhǎng)度和操作數(shù)地址的個(gè)數(shù)。由于操作碼的長(zhǎng)度、操作數(shù)地址的長(zhǎng)度以及所采用操作數(shù)地址數(shù)目不同，各種指令的長(zhǎng)度不是固定的，當(dāng)然也不是任意的。為了充分利用存儲(chǔ)空間，指令字的長(zhǎng)度也定為字節(jié)長(zhǎng)度的整數(shù)倍。例如INTEL8086/80586系列機(jī)的指令長(zhǎng)度分別為8位、16位、24位、32位、48位等。而最長(zhǎng)的指令可達(dá)120位。46計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.2.3指令長(zhǎng)度與字長(zhǎng)的關(guān)系指令字長(zhǎng)與機(jī)器字長(zhǎng)的關(guān)系指令字長(zhǎng)度與機(jī)器字長(zhǎng)度沒(méi)有固定的關(guān)系，它可以等于機(jī)器字長(zhǎng)，也可以大于或小于機(jī)器字長(zhǎng)。指令字長(zhǎng)度等于機(jī)器字長(zhǎng)度的指令，稱為單字長(zhǎng)指令；指令字長(zhǎng)等于兩個(gè)機(jī)器字長(zhǎng)的指令，稱為雙字長(zhǎng)指令；指令字長(zhǎng)度只有半個(gè)機(jī)器字長(zhǎng)度的指令，稱為半字長(zhǎng)指令。例如IBM370系列機(jī)的機(jī)器字長(zhǎng)為32位，它卻有16位的半字長(zhǎng)指令、32位的單字長(zhǎng)指令、48位的一個(gè)半字長(zhǎng)指令。47計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.2.3指令長(zhǎng)度與字長(zhǎng)的關(guān)系等字長(zhǎng)指令結(jié)構(gòu)在同一個(gè)指令系統(tǒng)中，所有的指令字長(zhǎng)度都是相等的，稱為等字長(zhǎng)指令字結(jié)構(gòu)，這種指令字結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制方便；變字長(zhǎng)指令結(jié)構(gòu)如果各種指令字長(zhǎng)度隨指令的功能而變化，如有的指令是單字長(zhǎng)指令，有的指令是雙字長(zhǎng)指令或三字長(zhǎng)指令，則稱為變字長(zhǎng)指令結(jié)構(gòu)，這種指令字結(jié)構(gòu)靈活，能充分利用指令字長(zhǎng)度，但指令的控制較復(fù)雜。48計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.2.3指令長(zhǎng)度與字長(zhǎng)的關(guān)系各種指令字的結(jié)構(gòu)情況地址

II+1I+2I+3指令指令指令指令┆一個(gè)字長(zhǎng)┆┆指令指令指令指令地址

II+1I+2I+3一個(gè)字長(zhǎng)指令指令指令指令┆地址

II+1I+2I+3指令1指令2一個(gè)字長(zhǎng)┆單字長(zhǎng)指令雙字長(zhǎng)指令半字長(zhǎng)指令變字長(zhǎng)指令指令3一個(gè)字長(zhǎng)地址II+1I+2I+3I+4I+5I+6指令1指令2┆49計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：64816第5章

指令系統(tǒng)5.1指令系統(tǒng)的發(fā)展5.2指令格式5.3數(shù)據(jù)表示5.4尋址方式（編址方式）5.5指令類型5.6指令系統(tǒng)的兼容性5.7精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)（RISC）和復(fù)雜指令系統(tǒng)（CISC）5.8指令系統(tǒng)舉例5.9機(jī)器語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言和高級(jí)語(yǔ)言50計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.3數(shù)據(jù)表示在計(jì)算機(jī)的基本數(shù)據(jù)有邏輯（布爾）數(shù)、定點(diǎn)數(shù)（整數(shù)）、浮點(diǎn)數(shù)（實(shí)數(shù)）、十進(jìn)制數(shù)、字符串、數(shù)組等。對(duì)這些數(shù)據(jù)的運(yùn)算可以設(shè)置專門(mén)的指令；也可以僅設(shè)置最簡(jiǎn)單的算術(shù)邏輯運(yùn)算指令，而通過(guò)程序的執(zhí)行實(shí)現(xiàn)其他類型數(shù)據(jù)的處理，但后者的速度下降很多。在機(jī)器中若設(shè)置能夠直接對(duì)矩陣向量數(shù)據(jù)（數(shù)組）進(jìn)行運(yùn)算的指令及硬件，可以大大提高對(duì)向量、數(shù)組的處理速度，這一般在巨型機(jī)中才采用。51計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.3數(shù)據(jù)表示目前計(jì)算機(jī)所用數(shù)據(jù)字長(zhǎng)大部分已經(jīng)達(dá)到64位。存儲(chǔ)器的地址，一般按字節(jié)表示。計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)可支持對(duì)字節(jié)、半字、字、雙字的運(yùn)算，有些計(jì)算機(jī)有位處理指令。52計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.3數(shù)據(jù)表示邊界對(duì)齊問(wèn)題為便于硬件實(shí)現(xiàn)，一般要求多字節(jié)數(shù)據(jù)對(duì)準(zhǔn)邊界。當(dāng)所存數(shù)據(jù)不能滿足此要求時(shí)，則填充一個(gè)至多個(gè)空白字節(jié)。53計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.3數(shù)據(jù)表示也有的計(jì)算機(jī)不要求對(duì)準(zhǔn)邊界，但可能增加訪問(wèn)存儲(chǔ)器次數(shù)。在不按邊界對(duì)準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)中，訪存指令所要求存取的數(shù)據(jù)，可能在兩個(gè)存儲(chǔ)單元中，因此需要訪問(wèn)兩次存儲(chǔ)器，而且還要對(duì)高低字節(jié)的位置進(jìn)行調(diào)整。54計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：64816第5章

指令系統(tǒng)5.1指令系統(tǒng)的發(fā)展5.2指令格式5.3數(shù)據(jù)表示5.4尋址方式（編址方式）5.5指令類型5.6指令系統(tǒng)的兼容性5.7精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)（RISC）和復(fù)雜指令系統(tǒng)（CISC）5.8指令系統(tǒng)舉例5.9機(jī)器語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言和高級(jí)語(yǔ)言55計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.4尋址方式（編址方式）存儲(chǔ)器既可用來(lái)存放數(shù)據(jù)，又可用來(lái)存放指令。因此，當(dāng)某個(gè)操作數(shù)或某條指令存放在某個(gè)存儲(chǔ)單元時(shí)，其存儲(chǔ)單元的編號(hào)，就是該操作數(shù)或指令在存儲(chǔ)器中的地址。形式地址：指令中直接給出的地址；有效地址：操作數(shù)所在的真實(shí)地址；即實(shí)際訪問(wèn)的存儲(chǔ)單元地址。56計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.4尋址方式（編址方式）在存儲(chǔ)器中，操作數(shù)或指令字寫(xiě)入或讀出的方式，有地址指定方式、相聯(lián)存儲(chǔ)方式和堆棧存取方式。幾乎所有的計(jì)算機(jī)，在內(nèi)存中都采用地址指定方式。當(dāng)操作數(shù)或指令字寫(xiě)入或讀出的方式采用地址指定方式時(shí)，形成操作數(shù)或指令地址的方式，稱為尋址方式。也就是從形式地址生成有效地址的各種方式。由于程序和數(shù)據(jù)的存入和取出都要與存儲(chǔ)器打交道，因此尋址方式又統(tǒng)稱為存儲(chǔ)器訪問(wèn)技術(shù)。57計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.4尋址方式（編址方式）尋址的目的豐富程序設(shè)計(jì)手段，提高程序質(zhì)量；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。58計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.4尋址方式（編址方式）尋址方式分為兩類，即指令尋址方式和數(shù)據(jù)尋址方式。前者比較簡(jiǎn)單，后者比較復(fù)雜。因?yàn)椴僮鲾?shù)本身不能像指令那樣順序排列，很多操作數(shù)是公用的，集中放在某一劃定的區(qū)域。59計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.4尋址方式（編址方式）指令的尋址方式指令的尋址方式有兩種，一種是順序?qū)ぶ贩绞?，另一種是跳躍（轉(zhuǎn)移）尋址方式。順序?qū)ぶ贩绞街噶畹刂吩趦?nèi)存中按順序安排，當(dāng)執(zhí)行一段程序時(shí)，通常是一條指令接一條指令的順序執(zhí)行。從存儲(chǔ)器取出第一條指令，然后執(zhí)行這條指令；接著從存儲(chǔ)器取出第二條指令，再執(zhí)行第二條指令；接著再取出第三條指令……這種程序順序執(zhí)行的過(guò)程，我們稱為指令的順序?qū)ぶ贩绞健榇?，必須使用程序?jì)數(shù)器（又稱指令指針寄存器）PC來(lái)計(jì)數(shù)指令的順序號(hào)，該順序號(hào)就是指令在內(nèi)存中的地址。60計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.4尋址方式（編址方式）61計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.4尋址方式（編址方式）轉(zhuǎn)移尋址方式當(dāng)程序轉(zhuǎn)移執(zhí)行的順序時(shí)，指令的尋址就采取轉(zhuǎn)移尋址方式。所謂轉(zhuǎn)移，是指下條指令的地址碼不是由程序計(jì)數(shù)器給出，而是由本條指令給出。程序轉(zhuǎn)移后，按新的指令地址開(kāi)始順序執(zhí)行。指令計(jì)數(shù)器的內(nèi)容也必須相應(yīng)改變，以便及時(shí)跟蹤新的指令地址。采用指令轉(zhuǎn)移尋址方式，可以實(shí)現(xiàn)程序轉(zhuǎn)移或構(gòu)成循環(huán)程序，從而能縮短程序長(zhǎng)度，或?qū)⒛承┏绦蜃鳛楣渤绦蛞?。指令系統(tǒng)中的各種條件轉(zhuǎn)移或無(wú)條件轉(zhuǎn)移指令，就是為了實(shí)現(xiàn)指令的轉(zhuǎn)移尋址而設(shè)置的。62計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.4尋址方式（編址方式）663計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.4尋址方式（編址方式）操作數(shù)的尋址方式操作數(shù)的尋址就是尋找操作數(shù)的地址，其目的是尋找所需要的操作數(shù)。尋址方式就是指尋找操作數(shù)地址所用的方法，它與計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，對(duì)指令的格式和功能都有極大的影響。由于各種計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)各不相同，指令格式亦多種多樣，因而，尋址方式也就千差萬(wàn)別。這里僅對(duì)常見(jiàn)的操作數(shù)地址尋址方式作介紹。用這些最基本的尋址方式可以組合成各類計(jì)算機(jī)中更為復(fù)雜的尋址方式。64計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.4尋址方式（編址方式）立即尋址（立時(shí)尋址、立即操作數(shù)）指令的地址字段指出的不是操作數(shù)的地址，而是操作數(shù)本身，這種尋址方式稱為立即尋址。在微型和小型計(jì)算機(jī)中，內(nèi)存是按字節(jié)編址的。若前一個(gè)字節(jié)是操作碼，緊跟著的第二個(gè)字節(jié)就是立即操作數(shù)。因此，立即數(shù)尋址又稱為鄰接型尋址，或者說(shuō)，操作數(shù)緊跟著操作碼。OP立即數(shù)65計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.4尋址方式（編址方式）立即尋址的指令執(zhí)行起來(lái)很快，CPU將數(shù)據(jù)與指令一起從存儲(chǔ)器取出，不必通過(guò)尋址計(jì)算就獲得了操作數(shù)，也不必再次訪問(wèn)存儲(chǔ)器。提高了指令的執(zhí)行速度，但操作數(shù)只是指令的一部分，其數(shù)值受到了限制。便于程序員使用。但因?yàn)閿?shù)據(jù)和地址都是固定的，所以靈活性最差?？捎脕?lái)提供常數(shù)，設(shè)置初始值。66計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.4尋址方式（編址方式）直接尋址在指令格式的地址字段中直接指出操作數(shù)在內(nèi)存的地址D，即操作數(shù)地址在指令中。對(duì)于使用次數(shù)很少又不需要做什么變化的地址碼，可采用直接尋址方式。指令中的地址D就是操作數(shù)的有效地址。E=D67計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.4尋址方式（編址方式）68計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.4尋址方式（編址方式）間接尋址是相對(duì)于直接尋址而言的，在間接尋址的情況下，指令地址字段中的形式地址D不是操作數(shù)的真正地址，而是操作數(shù)地址的指示器，或者說(shuō)D單元的內(nèi)容才是操作數(shù)的有效地址。即操作數(shù)地址在內(nèi)存中。69計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.4尋址方式（編址方式）指令中的地址碼部分給出的既不是操作數(shù)，又不是操作數(shù)的地址，而是存放操作數(shù)地址的內(nèi)存單元的地址，這個(gè)地址叫做間接地址。其尋址方式稱為間接尋址方式，簡(jiǎn)稱間址。70計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.4尋址方式（編址方式）間接尋址可分為一級(jí)間接尋址和多級(jí)間接尋址多級(jí)間接尋址方式的一級(jí)間接地址用指令間址表征，二級(jí)以后的間接地址用間址的第一位作為多級(jí)間接尋址標(biāo)志。其缺點(diǎn)是要多次訪問(wèn)存儲(chǔ)器，延緩了指令執(zhí)行的速度。71計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.4尋址方式（編址方式）間接尋址似乎很復(fù)雜，但卻比直接尋址靈活的多；采用間接尋址方式可用指令的短地址訪問(wèn)存儲(chǔ)器的任何單元。例：指令包括的間址只有8位，只能表示28個(gè)單元。通過(guò)間址操作后，從存儲(chǔ)器取出16位有效地址就能訪問(wèn)整個(gè)64KB的空間了。72計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.4尋址方式（編址方式）間接尋址方式實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)便，對(duì)編程帶來(lái)較大的靈活性，但是它多次訪問(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。對(duì)程序編制能帶來(lái)較大的靈活性表現(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。73計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.4尋址方式（編址方式）例如：內(nèi)存MOVX2

Ri

Ri10252200122000132

3100310010250操作碼特征寄存器號(hào)地址碼DMOV操作碼特征寄存器號(hào)地址碼D內(nèi)存Ri03200X2

Ri

0132013232001025MOV102574計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.4尋址方式（編址方式）寄存器尋址在現(xiàn)在流行的指令系統(tǒng)中，使用通用寄存器越來(lái)越多，這是計(jì)算機(jī)結(jié)構(gòu)發(fā)展的趨勢(shì)?，F(xiàn)在的小型計(jì)算機(jī)和大型計(jì)算機(jī)通用寄存器的數(shù)量達(dá)32個(gè)。這種發(fā)展增強(qiáng)了計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)的功能，并提高了靈活性。通用寄存器可作為累加器、變址器、基址器、堆棧指示器、程序狀態(tài)寄存器和各種狀態(tài)寄存器等。當(dāng)操作數(shù)不放在內(nèi)存中，而是放在CPU的通用寄存器中時(shí)，可采用寄存器尋址方式。75計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.4尋址方式（編址方式）寄存器尋址方式含義：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來(lái)指定。目的：引入寄存器參與尋址過(guò)程的目的是改善尋址的質(zhì)量。76計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.4尋址方式（編址方式）通用寄存器參與尋址過(guò)程，帶來(lái)如下特點(diǎn)：壓縮指令字長(zhǎng)度或騰出更多的位讓給操作碼，以產(chǎn)生更多的操作功能。加快尋址過(guò)程和數(shù)據(jù)流動(dòng)，從而加快指令的執(zhí)行速度?？蓴U(kuò)大尋址范圍。給程序設(shè)計(jì)增加許多新的手段。缺點(diǎn)：開(kāi)始時(shí)必須把數(shù)據(jù)存入通用寄存器，跟蹤其內(nèi)容的變化，并需將內(nèi)容放回存儲(chǔ)器以便保存。77計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.4尋址方式（編址方式）寄存器直接尋址地址碼給出寄存器編號(hào)，寄存器內(nèi)容就是操作數(shù)，這種方法稱寄存器直接尋址。使用寄存器直接尋址的雙地址指令格式是：操作：（R1）OP（R2）→R2這是一種寄存器－寄存器指令，常用于實(shí)現(xiàn)算術(shù)操作與邏輯操作。寄存器直接尋址還可以與直接、間接尋址搭配稱組合型尋址方式。OPR1R278計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.4尋址方式（編址方式）寄存器－存儲(chǔ)器操作的雙地址指令格式。79計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.4尋址方式（編址方式）寄存器間接尋址以寄存器的內(nèi)容為地址訪問(wèn)存儲(chǔ)器后獲得操作數(shù)稱為寄存器間接尋址。使用寄存器間接尋址的雙指令格式是：操作：((R1))OP((R2))→R2雙括號(hào)表示間接尋址，本質(zhì)上是存儲(chǔ)器－存儲(chǔ)器操作指令。這種尋址方式比普通的間接尋址方式快，因?yàn)樗槐貜拇鎯?chǔ)器取出有效地址，而且寄存器地址比存儲(chǔ)器的地址短。OP@R1@R280計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.4尋址方式（編址方式）例：執(zhí)行ADD@Ri

指令時(shí)，說(shuō)明Ri不是操作數(shù)的有效地址，而是存放操作數(shù)有效地址的寄存器號(hào)。

ADD

@

Ri操作數(shù)地址

Ri內(nèi)存操作數(shù)操作碼尋址特征寄存器號(hào)81計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.4尋址方式（編址方式）82計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.4尋址方式（編址方式）基址尋址方式當(dāng)存儲(chǔ)容量較大，所需地址碼的長(zhǎng)度大于字長(zhǎng)時(shí)，指令中的地址碼部分直接給出的地址不可能直接訪問(wèn)存儲(chǔ)器的所有單元。因此，把整個(gè)存儲(chǔ)空間分成若干段，每段的首地址存放在一個(gè)基址寄存器中，段內(nèi)的位移量由指令直接給出。于是，存儲(chǔ)器的實(shí)際地址就等于基址寄存器的內(nèi)容加上段內(nèi)位移量。這就叫做基址寄存器尋址方式，簡(jiǎn)稱基址尋址。83計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.4尋址方式（編址方式）基址尋址方式是大型機(jī)采用的一種技術(shù)。它將用戶程序的邏輯地址轉(zhuǎn)換成主存的物理地址?；穼ぶ贩绞接行У刂返墓綖椋河行У刂稥＝基址值（B）＋位移量（D）基址尋址方式是在管態(tài)方式下使用的修改指令地址字段的一種技術(shù)。址84計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.4尋址方式（編址方式）85計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.4尋址方式（編址方式）變址尋址方式變址尋址是將指令中的基地址碼和一個(gè)“變址值”相加后形成操作數(shù)的有效地址?！白冎分怠贝娣旁谝粋€(gè)專用的變址寄存器Ri中或?qū)Ｓ玫膬?nèi)存單元中。變址值是根據(jù)程序需要而設(shè)置的，與本條指令中的地址長(zhǎng)度無(wú)關(guān)，只要變址寄存器的字長(zhǎng)足夠長(zhǎng)，可以進(jìn)行內(nèi)存全容量的訪問(wèn)。使用起來(lái)十分靈活。86計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.4尋址方式（編址方式）提供變量值的通用寄存器稱為變址寄存器。指令地址字段提供的直接地址又稱為形式地址，記為D。變址尋址方式指定某寄存器作為變址寄存器，并在指令地址段中給出一個(gè)形式地址，變址寄存器的內(nèi)容與形式地址之和就是有效的操作數(shù)地址。計(jì)算機(jī)有效地址的公式為：有效地址E＝變址值（Rx）±形式地址D。使用變址尋址方式的目的不在于擴(kuò)大尋址空間，而在于實(shí)現(xiàn)程序塊的規(guī)律變化。87計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.4尋址方式（編址方式）變址器提供的變址值作為基準(zhǔn)地址的話，形式地址則提供對(duì)基地址的兩個(gè)方向的位移，這種形式又稱為位移尋址方式，常數(shù)D稱為位移量，它是帶有符號(hào)的數(shù)字。88計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.4尋址方式（編址方式）89計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.4尋址方式（編址方式）內(nèi)存20501000操作碼尋址特征變址單元號(hào)opX3

Ri00801080基地址碼D內(nèi)存操作碼尋址特征變址器號(hào)基地址碼D

2050

1080變址寄存器

1000Ri

OP

X3

Ri

0080X3=1EA=(Ri)+D X3=1EA=(Ri)+D有效地址

EA=1000+0080=1080 有效地址EA=1000+0080=1080操作數(shù)=(1080)=2050 操作數(shù)=(1080)=2050(a)Ri為變址寄存器時(shí)的變址尋址 (b)Ri為內(nèi)存變址單元時(shí)的變址尋址90計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.4尋址方式（編址方式）變址尋址的特點(diǎn)：變址尋址速度要比直接尋址慢，因?yàn)镃PU必須執(zhí)行一次加法操作以獲得有效地址。由于變址寄存器字長(zhǎng)和機(jī)器字長(zhǎng)相等，變址后的有效地址比形式地址長(zhǎng)得多，能夠?qū)け檎麄€(gè)尋址空間，擴(kuò)大了尋址范圍。多次使用Rx的變址值，使得硬件參與地址的計(jì)算過(guò)程，能壓縮程序的指令條數(shù)，加快指令的執(zhí)行。91計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.4尋址方式（編址方式）變址尋址進(jìn)一步發(fā)展成為具有自動(dòng)增/減變址功能的尋址方式。變址尋址和間接尋址相結(jié)合也是一種技巧性很強(qiáng)的尋址手段。按操作順序可分為前置變址和后置變址尋址。兩種尋址功能都能生成直接地址。前置尋址方式是先變址后間址。后置尋址方式是先間址后變址。后置變址技術(shù)更多應(yīng)用于小型/微型機(jī)設(shè)計(jì)上。92計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.4尋址方式（編址方式）93計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.4尋址方式（編址方式）94計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.4尋址方式（編址方式）OPX4Ri

0080

100010802000內(nèi)存20000300RiOPX5Ri

00801000130002000800內(nèi)存Ri操作碼尋址特征變址器號(hào)基地址碼DX4=1EA=((Ri)+D) X5=1EA=(D)+(Ri)有效地址

EA=(1000+0080)=2000 有效地址

EA=1300+1000=2300操作數(shù)

=(2000)=0300 操作數(shù)

=(2300)=0200（a）前置變址方式 （b）后置變址方式95計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.4尋址方式（編址方式）基址和變址的應(yīng)用方向基址尋址面向系統(tǒng)，主要用于邏輯地址到物理地址的變換，用來(lái)解決程序在主存儲(chǔ)器中的再定位和擴(kuò)大尋址空間等問(wèn)題。在一些大型機(jī)中，基址寄存器是由管理程序利用特權(quán)指令來(lái)使用，用戶程序無(wú)權(quán)修改它，從而確保了系統(tǒng)的安全性。變址尋址則面向用戶，用于訪問(wèn)字符串、向量和數(shù)組等成批數(shù)據(jù)。在一些小型機(jī)或微型機(jī)中，基址尋址和變址尋址實(shí)際上已經(jīng)合二為一了。96計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.4尋址方式（編址方式）相對(duì)尋址方式相對(duì)尋址是把程序計(jì)數(shù)器PC的內(nèi)容加上指令格式中的形式地址D而形成操作數(shù)的有效地址。程序計(jì)數(shù)器的內(nèi)容就是當(dāng)前指令的地址?！跋鄬?duì)”尋址，就是相對(duì)于當(dāng)前的指令地址而言。此時(shí)形式地址D通常稱為偏移量，其值可正可負(fù)，相對(duì)于當(dāng)前指令地址進(jìn)行浮動(dòng)。97計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.4尋址方式（編址方式）相對(duì)尋址方式是變址尋址方式的特例。相對(duì)尋址時(shí)，以程序計(jì)數(shù)器為變址器，指令地址為變址值，與指令提供的位移地址相加，從而得到有效地址。公式：有效地址E＝現(xiàn)行程序地址（PC）±位移量（D）相對(duì)地址指出的地址是與現(xiàn)行指令地址之間的相對(duì)位置，而不是絕對(duì)地址。98計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.4尋址方式（編址方式）用法：當(dāng)不同用戶使用同一標(biāo)準(zhǔn)子程序時(shí)，若能將該程序裝入不同的存儲(chǔ)區(qū)并就地運(yùn)行，它要求子程序內(nèi)部地址相對(duì)獨(dú)立而與用戶程序的地址無(wú)關(guān)。若一組指令以保持它們間的相對(duì)距離不變這樣一種方法移動(dòng)，那么對(duì)存儲(chǔ)器的所有位置都能使用相對(duì)于PC的同一個(gè)偏移值。這種情況下我們可以采用相對(duì)尋址方式。99計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.4尋址方式（編址方式）例：將某一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)子程序浮動(dòng)300個(gè)單元，執(zhí)行加法指令的結(jié)果仍然不變。100計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.4尋址方式（編址方式）隱含尋址在指令中不明顯地給出操作數(shù)的地址，其操作數(shù)或操作數(shù)的地址隱含在某個(gè)通用寄存器中或指定的存儲(chǔ)單元中。例如:單地址的指令格式，沒(méi)有在地址字段中指明第二操作數(shù)地址，而是規(guī)定累加寄存器AC作為第二操作數(shù)地址，AC對(duì)單地址指令格式來(lái)說(shuō)是隱含地址。這種方式可以縮短指令的長(zhǎng)度，在字長(zhǎng)較短的微型機(jī)或小型機(jī)中被廣泛采用。101計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.4尋址方式（編址方式）堆棧尋址方式堆棧是一組能存儲(chǔ)和取出數(shù)據(jù)的暫時(shí)存儲(chǔ)單元，在這一點(diǎn)上，堆棧有點(diǎn)像存儲(chǔ)器；很多計(jì)算機(jī)把存儲(chǔ)器的一部分用作堆棧；堆棧和其它形式的存儲(chǔ)器之間的差別是：它們對(duì)數(shù)據(jù)的存取方法和尋址方式有所不同；堆棧采用“后進(jìn)先出”的工作方式。102計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：64816第5章

指令系統(tǒng)5.1指令系統(tǒng)的發(fā)展5.2指令格式5.3數(shù)據(jù)表示5.4尋址方式（編址方式）5.5指令類型5.6指令系統(tǒng)的兼容性5.7精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)（RISC）和復(fù)雜指令系統(tǒng)（CISC）5.8指令系統(tǒng)舉例5.9機(jī)器語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言和高級(jí)語(yǔ)言103計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.5指令類型5.5.1指令的分類及功能5.5.2雙字長(zhǎng)介紹（子程序舉例）104計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.5.1指令的分類及功能指令系統(tǒng)決定了計(jì)算機(jī)的基本功能，因此指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一個(gè)核心問(wèn)題。它不僅與計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)，而且直接影響到編寫(xiě)操作系統(tǒng)和編寫(xiě)編譯程序的難易程度。設(shè)計(jì)一個(gè)合理而又有效的指令系統(tǒng)是至關(guān)重要的，它對(duì)機(jī)器的性能價(jià)格比有很大影響。一臺(tái)計(jì)算機(jī)最基本的、必不可少的指令是不多的，因?yàn)楹芏嘀噶疃伎梢杂米罨镜闹噶罱M合來(lái)實(shí)現(xiàn)。105計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.5.1指令的分類及功能一臺(tái)計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)通常有上百條或幾百條指令，從它們所完成的功能來(lái)看，一個(gè)較為完善的指令系統(tǒng)，應(yīng)具備以下各類指令。算術(shù)邏輯運(yùn)算指令移位操作指令數(shù)據(jù)傳送指令程序控制指令輸入輸出指令堆棧及堆棧操作指令字符串處理指令多處理機(jī)指令向量運(yùn)算指令特權(quán)指令陷阱（TRAP）指令其他指令106計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.5.1指令的分類及功能算術(shù)邏輯運(yùn)算指令這類指令主要用于定點(diǎn)或浮點(diǎn)的算術(shù)運(yùn)算。定點(diǎn)加、減、乘、除運(yùn)算和浮點(diǎn)加、減、乘、除運(yùn)算、二進(jìn)制運(yùn)算和十進(jìn)制運(yùn)算。邏輯加法、邏輯乘法、按位加、求反運(yùn)算，以及數(shù)值的左、右移位和比較指令。大型機(jī)（如IBM370機(jī)、國(guó)產(chǎn)銀河機(jī)、CRAY-1機(jī)、CDC的STAR－100機(jī)等）中還設(shè)置有向量運(yùn)算指令，可直接對(duì)整個(gè)向量或矩陣進(jìn)行求和、求積運(yùn)算。107計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.5.1指令的分類及功能移位操作指令移位操作指令分為算術(shù)移位、邏輯移位和循環(huán)移位三種，可以將操作數(shù)左移或右移若干位。算術(shù)移位和邏輯移位很類似，但由于操作對(duì)象不同（前者帶符號(hào)、后者無(wú)符號(hào)）而移位操作有所不同。主要差別在于右移時(shí)，填入最高位的數(shù)據(jù)不同。108計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.5.1指令的分類及功能算術(shù)移位的一個(gè)重要的作用是用于實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的乘除運(yùn)算。算術(shù)左移或右移n位，實(shí)現(xiàn)對(duì)帶符號(hào)數(shù)據(jù)乘以2n或整除以2n的運(yùn)算；同樣，邏輯左移或右移n位，分別實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)符號(hào)數(shù)據(jù)乘以2n或整除以2n的運(yùn)算。移位指令的執(zhí)行時(shí)間比乘除運(yùn)算的執(zhí)行時(shí)間短。因此采用移位指令來(lái)實(shí)現(xiàn)上述乘法、除法運(yùn)算可取得較高的速度。109計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.5.1指令的分類及功能數(shù)據(jù)傳送指令這類指令的功能是實(shí)現(xiàn)寄存器與寄存器，寄存器與存儲(chǔ)單元以及存儲(chǔ)單元與存儲(chǔ)單元之間的數(shù)據(jù)傳送。傳送指令包括將數(shù)據(jù)從存儲(chǔ)器送入寄存器的取數(shù)指令，把運(yùn)算結(jié)果從寄存器送入存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)指令，存儲(chǔ)器內(nèi)數(shù)據(jù)從某一地址移往另一些地址的傳送指令等。110計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.5.1指令的分類及功能程序控制指令在執(zhí)行程序時(shí)，控制各種動(dòng)作的指令為控制指令。包括根據(jù)對(duì)條件的判斷改變程序執(zhí)行順序的轉(zhuǎn)移指令（條件轉(zhuǎn)移指令），也有無(wú)條件轉(zhuǎn)移到指定地址的轉(zhuǎn)移指令，還有停止執(zhí)行程序的停止指令和機(jī)器內(nèi)的某些指示器的置位、復(fù)位指令等。置位：把兩狀態(tài)存儲(chǔ)器件（如觸發(fā)器）置成“1”態(tài)。復(fù)位：把兩狀態(tài)存儲(chǔ)器件或計(jì)數(shù)器置成“0”態(tài)。111計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.5.1指令的分類及功能程序控制指令也稱轉(zhuǎn)移指令。執(zhí)行程序時(shí)，有時(shí)機(jī)器執(zhí)行到某條指令時(shí)，出現(xiàn)了幾種不同結(jié)果，這時(shí)機(jī)器必須執(zhí)行一條轉(zhuǎn)移指令，根據(jù)不同結(jié)果進(jìn)行轉(zhuǎn)移，從而改變程序原來(lái)執(zhí)行的順序。這種轉(zhuǎn)移指令稱為條件轉(zhuǎn)移指令。112計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.5.1指令的分類及功能除各種條件轉(zhuǎn)移指令外，還有無(wú)條件轉(zhuǎn)移指令、轉(zhuǎn)子程序指令、返回主程序指令、中斷返回指令等。轉(zhuǎn)移指令的轉(zhuǎn)移地址一般采用直接尋址和相對(duì)尋址方式來(lái)確定。轉(zhuǎn)子指令是轉(zhuǎn)向本指令操作地址所指出的子程序入口，并將原程序中下一條指令地址存入內(nèi)存某單元（或指定的某個(gè)寄存器）中，以便為返回主程序時(shí)提供返回地址。113計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.5.1指令的分類及功能輸入輸出指令輸入輸出指令主要用來(lái)啟動(dòng)外圍設(shè)備，檢查測(cè)試外圍設(shè)備的工作狀態(tài)，并實(shí)現(xiàn)外部設(shè)備和CPU之間，或外圍設(shè)備與外圍設(shè)備之間的信息傳送。輸入輸出指令是使輸入輸出設(shè)備動(dòng)作的指令。輸入輸出設(shè)備的種類很多，并且動(dòng)作也很復(fù)雜，這類指令必須能控制很多種類的動(dòng)作。因此簡(jiǎn)單的指令是無(wú)法完成這類功能的，現(xiàn)代計(jì)算機(jī)多采用通道方式來(lái)進(jìn)行操作，也就是通過(guò)通道指令來(lái)完成。114計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.5.1指令的分類及功能堆棧及堆棧操作指令堆棧：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。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)“出入口”。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。115計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.5.1指令的分類及功能堆棧結(jié)構(gòu)在計(jì)算機(jī)中的作用具有堆棧結(jié)構(gòu)的機(jī)器使用零地址指令，不僅指令長(zhǎng)度短，指令結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，機(jī)器硬件簡(jiǎn)化。實(shí)現(xiàn)程序調(diào)用，子程序嵌套調(diào)用和遞歸調(diào)用。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)”。116計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.5.1指令的分類及功能堆棧的操作設(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（堆棧指針stackpointer）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(xiě)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)遞增而指向新的棧頂位置。117計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.5.1指令的分類及功能118計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.5.1指令的分類及功能字符串處理指令字符串處理指令是一種非數(shù)值處理指令，一般包括字符串傳送、字符串轉(zhuǎn)換（把一種編碼的字符串轉(zhuǎn)換成另一種編碼的字符串）、字符串比較，字符串匹配，字符串替換（把某一字符串用另一字符串替換）等。這種類型的指令對(duì)大量字符串進(jìn)行各種處理的文字編輯和排版方面非常有用。119計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師arnnydong號(hào)：648165.5.1指令的分類及功能多處理機(jī)指令出現(xiàn)在多處理機(jī)或多處理器系統(tǒng)中，比如用于共享資源管理的“測(cè)試與設(shè)定”指令，相互通信時(shí)的“數(shù)據(jù)交換”指令。這類指令最主要的特點(diǎn)是在指令執(zhí)行過(guò)程中不允許打斷，這樣可以避免多個(gè)處理器同時(shí)讀取和修改共享數(shù)據(jù)區(qū)。120計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)系董阿妮講師a