第四章指令系統(tǒng)

第四章指令系統(tǒng)

InstructionSystem4.1指令系統(tǒng)的發(fā)展與性能要求什么是指令？高級語言程序、匯編語言程序，都需編譯或翻譯程序轉(zhuǎn)換為CPU識別的程序，即指令序列?？杀豢刂破髯R別的指令稱為機器指令。另外兩種指令微指令一條機器指令翻譯成一串微指令。一條微指令代表發(fā)出的一組控制信號。微程序存儲于CPU內(nèi)的控制存儲器。屬于硬件。4.1指令系統(tǒng)的發(fā)展與性能要求宏指令特定的一串機器指令可完成稍復雜的運算，這串機器指令用一條宏指令表示。屬于軟件。什么是指令系統(tǒng)？所有機器指令的集合，稱指令系統(tǒng)。指令系統(tǒng)就是指令集（InstructionSet）。決定硬件設(shè)計，是軟件設(shè)計的基礎(chǔ)，影響機器的適用范圍。4.1指令系統(tǒng)的發(fā)展與性能要求指令系統(tǒng)的發(fā)展指令系統(tǒng)的規(guī)模50年代，十幾或幾十條指令。60年代，增加乘除法、浮點運算、十進制運算、字符處理指令，達到一二百條指令。70年代，幾百條，復雜指令系統(tǒng)的計算機（CISC，ComplexInstuctionSetComputer）70年代，出現(xiàn)精簡指令系統(tǒng)計算機（RISC，ReducedInstuctionSetComputer）系列計算機奔騰386，奔騰486，奔騰5864.1指令系統(tǒng)的發(fā)展與性能要求指令系統(tǒng)決定計算機的基本功能，是計算機設(shè)計的核心問題。怎樣確定指令系統(tǒng)？要求完備性類型豐富、功能齊全、使用方便；乘除、浮點運算可由基本指令實現(xiàn)，也可用硬件實現(xiàn)。有效性占用存儲少，執(zhí)行速度快。4.1指令系統(tǒng)的發(fā)展與性能要求要求規(guī)整性對稱性任何指令平等對待寄存器和存儲器勻齊性一種操作性質(zhì)的指令可支持各種數(shù)據(jù)類型指令格式和數(shù)據(jù)格式的一致性例如，指令字和數(shù)據(jù)字都是字節(jié)的倍數(shù)。兼容性系列機支持“向上兼容”，高檔機包含低檔機的全部指令。4.1指令系統(tǒng)的發(fā)展與性能要求程序設(shè)計與指令集的關(guān)系程序設(shè)計把待求解問題變換成計算機可識別的一串指令或語句。程序用計算機語言表達。計算機語言高級語言（算法語言）C、Fortran、Java、Pascal等；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。4.1指令系統(tǒng)的發(fā)展與性能要求計算機語言低級語言機器語言（二進制語言）、匯編語言（符號語言）；面向機器編寫，不可移植；可最大程度挖掘機器功能。高級語言提供與匯編語言的調(diào)用接口。4.2指令格式指令字表示一條指令的二進制位串。簡稱指令。指令格式操作碼表示指令的操作特征與功能；地址碼參與操作的操作數(shù)的地址。操作碼地址碼4.2指令格式操作碼表示操作的性質(zhì)。例，加法、減法、乘法、取數(shù)、存數(shù)等?？刂破鹘忉尣僮鞔a，發(fā)出相應的控制信號。操作碼字段的長度取決于指令系統(tǒng)的規(guī)模。例，如僅有8條指令，該字段占用3位就夠了。n位操作碼字段，最多可表示2^n條不同指令。4.2指令格式地址碼一般的運算操作，涉及被操作數(shù)、操作數(shù)、操作結(jié)果。按操作數(shù)個數(shù)分，三地址指令二地址指令一地址指令零地址指令注意：這里不表示指令字是等長的！A反映ALU中哪個寄存器，也可反映哪個存儲單元。操作碼A1A2A3操作碼A1A2操作碼A操作碼4.2指令格式地址碼零地址指令例，停機指令(halt)。一地址指令（單操作數(shù)指令）隱含地以ALU中的累加器AC的內(nèi)容做另一個操作數(shù)，結(jié)果仍送AC。（AC）OP（A）→AC也有的確是一個操作數(shù)的情況。OP（A）→A例：移位指令4.2指令格式地址碼二地址指令（雙操作數(shù)指令）第一個地址碼兼做操作結(jié)果的地址。（A1）OP（A2）→A1三地址指令（A1）OP（A2）→A34.2指令格式地址碼對于二地址指令存儲器-存儲器（SS，Storage-Storage）指令三次訪問主存，費時！寄存器-寄存器（RR，Register-Register）指令不訪問主存，速度快！寄存器-存儲器（RS，Register-Storage）指令既訪問主存，又訪問寄存器。4.2指令格式指令字長度操作碼字段和操作數(shù)字段的總位數(shù)。機器字長計算機能直接處理的二進制位數(shù)，一般是ALU位數(shù)。一般等于存儲器字長，即一次訪存得到的位數(shù)。4.2指令格式指令字長度按長度分，單字長指令指令字長度等于機器字長度。半字長指令雙字長指令例IBM370系列中，有16位（半字）、32位、48位等指令；Pentium系列中，有8位、16位、32位和64位指令。4.2指令格式指令助記符不同機器的指令助記符不完全一樣！典型指令指令助記符助記符含義二進制操作碼加法ADDAdd001減法SUBSubtract010傳送MOVMove011跳轉(zhuǎn)JMPJump100轉(zhuǎn)子JSRJumpsubroutine101存儲STRStore110讀數(shù)LDALoad1114.2指令格式指令格式舉例8位微機的指令格式單字長指令雙字長指令三字長指令內(nèi)存按字節(jié)編址每執(zhí)行一條指令，指令地址加多少？對于單字長指令，加1；對于雙字長指令，加2；對于三字長指令，加3。操作碼操作碼地址碼操作碼地址碼1地址碼28位8位8位1.1指令系統(tǒng)的發(fā)展與性能要求指令格式舉例16位小型機PDP/11的指令格式單字長指令還有一些超過單字長的指令1.1指令系統(tǒng)的發(fā)展與性能要求指令格式舉例Pentium指令格式指令長度從1字節(jié)到12字節(jié)。Pentium是典型的CISC。1.1指令系統(tǒng)的發(fā)展與性能要求例，指令格式如下所示，其中OP為操作碼，試分析指令格式的特點。解：這是二地址指令。OP為操作碼字段，可表示128條指令。源和目標寄存器都是通用寄存器，支持從16個寄存器中選擇哪個做源或目標寄存器。RR型指令。這種指令一般是算邏運算指令。

OP-源寄存器目標寄存器159874301.1指令系統(tǒng)的發(fā)展與性能要求例，指令格式如下所示，其中OP為操作碼，試分析指令格式的特點。解：這是雙字長二地址指令，RS型指令。操作碼字段6位，可表示64條指令。源操作數(shù)在寄存器里，源寄存器從16個寄存器中指定；目標操作數(shù)在存儲器里，結(jié)果也放存儲器。OP

-源寄存器變址寄存器15107430位移量（16位）4.3指令和數(shù)據(jù)的尋址方式尋址方式指令或數(shù)據(jù)的位置可按地址（編號）、內(nèi)容、棧頂指針確定。確定指令或操作數(shù)的地址的方式，稱為尋址方式。指令的尋址方式順序?qū)ぶ吩O(shè)置程序計數(shù)器（或稱指令計數(shù)器），每執(zhí)行一條指令，計數(shù)器加1；把計數(shù)器內(nèi)容作為指令的存儲地址。4.3指令和數(shù)據(jù)的尋址方式指令的尋址方式跳躍尋址下條指令的地址，不是計數(shù)器給出的，而是當前指令指定的！用于縮短程序長度（如循環(huán)），引用公共程序。4.3指令和數(shù)據(jù)的尋址方式指令的尋址方式play4.3指令和數(shù)據(jù)的尋址方式操作數(shù)的尋址方式有效地址：操作數(shù)的實際地址。如寄存器編號或存儲單元地址。形式地址，也稱偏移量。由形式地址和尋址方式特征位（X、I）形成有效地址的方法，稱為操作數(shù)的尋址方式。操作碼變址間址形式地址

OPXID地址碼4.3指令和數(shù)據(jù)的尋址方式操作數(shù)的尋址方式隱含尋址例，單地址指令中，第1操作數(shù)地址由指令給出，第2操作數(shù)（也是結(jié)果）的地址隱含地規(guī)定為累加器AC。立即尋址地址碼字段的內(nèi)容，就是操作數(shù)。無需訪問寄存器和存儲器。4.3指令和數(shù)據(jù)的尋址方式操作數(shù)的尋址方式直接尋址形式地址D就是有效地址E，即E＝D。若操作數(shù)為S，則S=(E)=(D)。間接尋址由尋址特征位（I）指示這種尋址方式。E＝(D)。OPID4.3指令和數(shù)據(jù)的尋址方式直接尋址play4.3指令和數(shù)據(jù)的尋址方式間接尋址Eplay4.3指令和數(shù)據(jù)的尋址方式操作數(shù)的尋址方式寄存器尋址方式形式地址D是寄存器的編號，寄存器內(nèi)容為操作數(shù)。若尋址特征位（I，Indirect）為1，代表是寄存器間址尋址。D是寄存器編號，但寄存器內(nèi)容是存儲器地址，操作數(shù)在存儲單元中。4.3指令和數(shù)據(jù)的尋址方式操作數(shù)的尋址方式相對尋址方式由程序計數(shù)器PC（ProgramCounter）的內(nèi)容加上形式地址D，結(jié)果才是操作數(shù)的有效地址E。E＝（PC）+D。D可正可負！也需要尋址特征位指示！4.3指令和數(shù)據(jù)的尋址方式相對尋址方式play4.3指令和數(shù)據(jù)的尋址方式操作數(shù)的尋址方式基址尋址方式將基址寄存器的內(nèi)容加上D，得E。需要尋址特征位指示?；芳拇嫫饔糜谠诤艽蟠鎯Ψ秶鷥?nèi)的尋址。4.3指令和數(shù)據(jù)的尋址方式基址尋址方式play4.3指令和數(shù)據(jù)的尋址方式操作數(shù)的尋址方式變址尋址把變址寄存器的內(nèi)容，加上D，得E。用于連續(xù)地址的訪問。需要尋址特征位指示。塊尋址常見于IO指令，用于外存與內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)塊“搬家”。指令格式：OP首地址標志位末地址4.3指令和數(shù)據(jù)的尋址方式操作數(shù)的尋址方式段尋址微機中采用，目的是擴大尋址范圍。play4.3指令和數(shù)據(jù)的尋址方式PDP/11的尋址方式雙操作數(shù)指令的格式PDP/11的CPU包含寄存器R0~R7，R7實際是PC，R6實際是SP（StackPointer）。1512119865320操作碼尋址方式寄存器號尋址方式寄存器號4.3指令和數(shù)據(jù)的尋址方式PDP/11系列機的尋址方式尋址名稱尋址特征位E匯編格式直接型寄存器型000E=RRn自增型010E=(R)(R)+2→R(Rn)+自減型100(R)-2→RE=(R)-(Rn)變址型110(PC)+2→PCE=((PC))+(R)X(Rn)4.3指令和數(shù)據(jù)的尋址方式PDP/11系列機的尋址方式(續(xù))尋址名稱尋址特征位E匯編格式間接型寄存器間接001E=(R)(Rn)或﹫Rn自增間接011E=((R))(R)+2→R﹫(Rn)+自減間接101(R)-2→RE=((R))﹫-(Rn)變址間接111(PC)+2→PCE=((R)+((PC)))﹫X(Rn)4.3指令和數(shù)據(jù)的尋址方式PDP/11系列機的尋址方式(續(xù))尋址名稱尋址特征位E匯編格式程序計數(shù)器型立即型010(PC)+2→PCE=(PC)#n絕對型011(PC)+2→PCE=((PC))﹫#A相對型110(PC)+2→PCE=((PC))+(PC)+2A相對間接型111(PC)+2→PCE=(((PC))+(PC)+2)﹫A4.3指令和數(shù)據(jù)的尋址方式例：一種二地址RS型指令的結(jié)構(gòu)如下所示：其中，I為間址標志，X為尋址模式，D為偏移量，請寫出尋址方式的名稱。操作碼—寄存器號IX偏移量

6位4位1位2位16位尋址方式IX有效地址E說明(1)000E=D(2)001E=(PC)±DPC為程序計數(shù)器(3)010E=(R2)±DR2為變址寄存器(4)111E=(R3)(5)100E=(D)(6)011E=(R1)±DR1為基址寄存器4.3指令和數(shù)據(jù)的尋址方式例：某16位機器所使用的指令格式和尋址方式如下所示，該機有兩個20位基址寄存器，四個16位變址寄存器，十六個16位通用寄存器，指令匯編格式中的S（源），D（目標）都是通用寄存器，M是主存中的一個單元。D4.3指令和數(shù)據(jù)的尋址方式⑴分析三種指令的指令格式與尋址方式特點。D①單字長、二地址、RR型指令，…②雙字長、二地址、RS型指令，…③雙字長、二地址、RS型指令，…1234.3指令和數(shù)據(jù)的尋址方式（2）CPU完成哪一種操作所花時間最短？哪一種花時間最長？第二種指令的執(zhí)行時間有時會等于第三種指令嗎？①執(zhí)行時間最短；②執(zhí)行時間最長；③不會。D1234.3指令和數(shù)據(jù)的尋址方式(3)已知三種指令的操作碼分別是MOV（OP）＝（A）H，STA（OP）＝（1B）H，LDA（OP）＝（3C）H。MOV是傳送指令，STA為寫數(shù)指令，LDA為讀數(shù)指令。下列每個指令字代表什么操作？如有編碼不正確，如何改正？①(F0F1)H(3CD2)H②(2856)H③（6FD6)H④（1C2)HD1234.3指令和數(shù)據(jù)的尋址方式例（續(xù)）：答(3)：MOV(OP)=001010；STA(OP)=011011；LDA(OP)=111100①111100,00,1111,00010011110011010010;LDA指令②001010,00,0101,0110;MOV指令③011011,11,1101,0110；應該是MOV指令，但錯誤！不該指定基址寄存器。④000111,00,0010；單字長，應該是MOV指令，但編碼錯誤，可改為（28C2）H，即001010,00,1100,00104.4堆棧尋址方式堆棧“后進先出”的存儲結(jié)構(gòu)?？稍谝唤M通用寄存器或一塊存儲器區(qū)域上實現(xiàn)。串聯(lián)堆棧棧頂固定，棧底下移！只適合在寄存器組上實現(xiàn)。A

A

B

AB

CABC

C

AB

play4.4堆棧尋址方式寄存器堆棧的缺點容量小，棧滿后再壓棧，就把最早入棧的數(shù)據(jù)丟失了。讀出是破壞性的，即退棧才能讀出。存儲器堆棧的優(yōu)點容量任意設(shè)置；堆棧數(shù)目也可有許多；可借助訪存指令完成堆棧操作。4.4堆棧尋址方式存儲器堆棧特點存儲單元之間的數(shù)據(jù)移動，很費時。棧底不動，棧頂移動。每壓入一個數(shù)據(jù)，棧頂移動一下。由堆棧指示器（SP）保存棧頂（即存儲單元地址）。堆棧操作描述進棧：(A)→Msp，(SP)–1→SP退棧：(SP)+1→SP，(Msp)→A4.4堆棧尋址方式SP274275276277300棧頂301300aRa274275276277棧頂300301277SPaR進棧后cba274275棧頂276277300301275SP

Rcba274275276棧頂277300301276SPcR出棧后play4.5典型指令數(shù)據(jù)傳送指令取數(shù)指令、存數(shù)指令、傳送指令、成組傳送指令、字節(jié)交換指令、清累加器指令、堆棧操作指令等。算術(shù)運算指令二進制的加、減、乘、除指令，浮點加、減、乘、除指令，算術(shù)移位指令、算術(shù)比較指令、十進制加、減指令等。4.5典型指令邏輯運算指令邏輯加、乘、異或、移位等指令。程序控制指令條件轉(zhuǎn)移指令。轉(zhuǎn)移條件有，進位、結(jié)果0、結(jié)果負、結(jié)果溢出、結(jié)果奇偶等，這些標志存儲在狀態(tài)寄存器中。無條件轉(zhuǎn)移指令、轉(zhuǎn)子程序指令、返主程序指令等。絕對轉(zhuǎn)移、相對轉(zhuǎn)移。4.5典型指令輸入輸出指令啟動外設(shè)指令、檢測外設(shè)狀態(tài)指令、外設(shè)-CPU傳送指令、外設(shè)-外設(shè)傳送指令。若外設(shè)寄存器和存儲器統(tǒng)一編址，則無IO指令。字符串處理指令非數(shù)值處理指令，如字符串傳送、轉(zhuǎn)換、比較、查找、替換等。特權(quán)指令只限OS或其他系統(tǒng)軟件使用。其他指令狀態(tài)寄存器置位、復位、測試指令、暫停指令、空操作指令等。4.5典型指令CISC（復雜指令系統(tǒng)計算機）的基本指令指令助記符8進制代碼說明單地址指令取數(shù)LDA·D01xxxx(M)→A存數(shù)STA·D02xxxxA→(M)加法ADD·D03xxxxA+(M)→A減法SUB·D04xxxxA-(M)→A邏輯乘AND·D05xxxx(A)∧(M)→A邏輯加ORA·D06xxxx(A)∨(M)→A按位加EOR·D07xxxx(A)+(M)→ACISC的基本指令(續(xù))指令助記符8進制代碼說明單地址指令比較CMP·D10xxxx(A)-(M)內(nèi)存修改ISZ·D11xxxx(M)+1→M,結(jié)果0轉(zhuǎn)無條件轉(zhuǎn)移JMP·D14xxxx無條件轉(zhuǎn)M單元進位置轉(zhuǎn)BCS·D15xxxxC=1,轉(zhuǎn)到M單元零轉(zhuǎn)BEQ·D16xxxxZ=1,轉(zhuǎn)到M單元負轉(zhuǎn)BMI·D17xxxxN=1,轉(zhuǎn)到M單元溢出置轉(zhuǎn)BVS·D20xxxxV=1,轉(zhuǎn)到M單元CISC的基本指令(續(xù))指令助記符8進制代碼說明零地址指令進棧PUSH120000(A)→Msp,(SP)+1→SP退棧POP130000