理學(xué)組成原理

一、機(jī)器指令

從計(jì)算機(jī)的層次結(jié)構(gòu)來說，計(jì)算機(jī)指令有微指令、機(jī)器指令和宏指令之分。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)是計(jì)算機(jī)硬件的語言系統(tǒng)，因此也叫做機(jī)器語言。指令系統(tǒng)是軟件和硬件的主要交界面，指令系統(tǒng)表征了計(jì)算機(jī)的基本功能，決定了機(jī)器硬件所具有的能力，也決定機(jī)器的硬件結(jié)構(gòu)。對(duì)指令系統(tǒng)的要求完備性:

指令齊全，編程方便高效性：占內(nèi)存少，運(yùn)行省時(shí)規(guī)整性：指令與運(yùn)算規(guī)則統(tǒng)一兼容性：新舊機(jī)指令軟件兼容當(dāng)前的計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)，從其構(gòu)成的復(fù)雜和完備程度，或者說設(shè)計(jì)中追求的不同的目標(biāo)區(qū)分，可分為CISC和RISC兩類：

RISC（ReducedInstructionSetComputer）,通常稱為精簡指令系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)，只有數(shù)目較少、格式與功能簡單、運(yùn)行高效的指令，追求的是計(jì)算機(jī)控制器實(shí)現(xiàn)簡單，運(yùn)行高速，更容易在單塊超大規(guī)模集成電路中芯片內(nèi)制做出來。

CISC（ComplexInstructionSetComputer）,通常稱為復(fù)雜指令系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)，是相對(duì)于RISC一詞而提出來的一種說法。其特點(diǎn)是：指令條數(shù)多，格式多樣，尋址方式復(fù)雜，每條指令的功能強(qiáng)，優(yōu)點(diǎn)是匯編程序設(shè)計(jì)容易些，但計(jì)算機(jī)控制器的實(shí)現(xiàn)困難多，很多指令被使用的機(jī)會(huì)并不多。返回

指令字長指一條指令中包含的二進(jìn)制碼位數(shù)。

指令字長選取原則：

(1)

長度盡可能短，以節(jié)省存儲(chǔ)空間和提高處理速度；

(2)

指令中各信息位利用率盡可能高。

常見結(jié)構(gòu)：

(1)

等長指令字結(jié)構(gòu)：指令系統(tǒng)的所有指令長度相等。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，通常?。褐噶钭珠L=機(jī)器字長。

(2)

變長指令字結(jié)構(gòu)：各種指令長度不等，如半字長、單字長、雙字長等等。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)靈活，能充分利用指令信息位，但指令的分析復(fù)雜。指令字長

操作碼字段地址碼字段返回指令的一般格式：機(jī)器指令格式

操作碼：表示指令的操作性質(zhì)，即指令要完成的功能。

地址碼：指出操作數(shù)的地址，即指令操作對(duì)象所在的位置。

指令地址碼字段的格式通常按所能給出的操作數(shù)地址的個(gè)數(shù)進(jìn)行安排。常用的有以下格式。

1、三地址指令

操作碼

A1A2A3

(A1)OP(A2)→A3

指令中的三個(gè)地址，既可以是內(nèi)存地址，也可以是通用寄存器號(hào)，根據(jù)操作數(shù)所處位置有： 存儲(chǔ)器—存儲(chǔ)器型（SS型）指令 寄存器—寄存器型（RR型）指令 存儲(chǔ)器—寄存器型（SR型）指令地址碼字段

3、一地址指令

操作碼

A

(AC)OP(A)→AC

4、零地址指令

操作碼適用于控制類指令或堆棧結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)，

(SP)OP(SP-1)→SP-1

2、二地址指令

操作碼

A1A2

(A1)OP(A2)→A1

為了表示不同功能的指令，指令格式中為每一條指令都要安排一個(gè)唯一的操作碼。

操作碼字段位數(shù)選取原則：應(yīng)能表示指令系統(tǒng)中的全部指令。

常用操作碼格式：

1、定長操作碼 指令系統(tǒng)中所有指令的操作碼位數(shù)一致。

特點(diǎn)：譯碼結(jié)構(gòu)簡單，譯碼時(shí)間短。常用于字長較長的大、中型機(jī)。操作碼字段

2、可變長操作碼

指令系統(tǒng)中各種指令的操作碼位數(shù)不一致。

特點(diǎn)：可充分利用指令信息位，有效地壓縮操作碼的平均長度。廣泛用于字長較短的小、微型機(jī)。

操作碼的擴(kuò)展方法

思想：當(dāng)指令總長度不變，且多種地址碼結(jié)構(gòu)混合使用時(shí)，可使用地址碼個(gè)數(shù)較少的指令空出的地址碼部分，來增加操作碼的位數(shù)。指令操作碼擴(kuò)展方法舉例151211650

OP

A1

A2

1111000000A

1111000001A

﹕

﹕

﹕1111111110A

10位操作碼

26-1=63條一地址指令

1111111111

000000

1111111111

000001

﹕

﹕

﹕1111111111

111111

16位操作碼

26=64條零地址指令

0000A1A2

0001A1A2

﹕

﹕

﹕

1110A1A2

4位操作碼

24-1=15條二地址指令

操作數(shù)類型：

地址：在指令中出現(xiàn)為了獲得操作數(shù)，可看作無符號(hào)整數(shù)。

數(shù)字：包括定點(diǎn)數(shù)、浮點(diǎn)數(shù)和十進(jìn)制數(shù)。

字符：包括單字符、字符串和文本。邏輯數(shù)：邏輯數(shù)形式上與數(shù)值數(shù)據(jù)無區(qū)別，但邏輯數(shù)n位間無數(shù)值和位權(quán)關(guān)系，運(yùn)算時(shí)按位進(jìn)行。二、操作數(shù)類型和操作類型

機(jī)器字長指CPU一次能處理數(shù)據(jù)的最長位數(shù)。為了支持各種不同數(shù)據(jù)類型，每臺(tái)處理器能處理多種不同字長數(shù)據(jù)。例如Pentium可處理數(shù)據(jù)字長有：8（字節(jié)）、16（字）、32（雙字）、64（四字）；PowerPC可處理8（字節(jié)）、16（半字）、32（字）、64（雙字）。不同字長的數(shù)據(jù)在內(nèi)存存放有兩種方式，即邊界對(duì)準(zhǔn)和邊界不對(duì)準(zhǔn)。數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)器中的存放方式：

機(jī)器字長和存儲(chǔ)字長均為32位，若CPU可處理字節(jié)、半字、字和雙字，采用“邊界對(duì)準(zhǔn)”方式時(shí)，不同字長數(shù)據(jù)在內(nèi)存存放形式如下：雙字字（地址8）字（地址0）字節(jié)（地址7）字節(jié)（地址5）字節(jié)（地址6）字節(jié)（地址4）半字（地址14）半字（地址12）0雙字（地址16）81216204

字節(jié)存放次序可按低位字節(jié)低地址或低位字節(jié)高地址兩種方式存放。當(dāng)所存儲(chǔ)數(shù)據(jù)不能滿足此要求時(shí)，可填充一至多個(gè)空白字節(jié)。字（地址8）字（地址0）字節(jié)（地址5）字節(jié)（地址4）半字（地址14）半字（地址12）08124

12字（地址0）字節(jié)（地址5）字節(jié)（地址4）半字（地址14）半字（地址12）084

字（地址6）字（地址8）半字（地址10）按邊界對(duì)準(zhǔn)方式，且低位字節(jié)放在低地址。按邊界不對(duì)準(zhǔn)方式，且低位字節(jié)放在低地址。特點(diǎn)：存儲(chǔ)空間利用率高，但存取速度受到影響。

1、數(shù)據(jù)傳送

包括寄存器與寄存器、寄存器與存儲(chǔ)單元、存儲(chǔ)單元與存儲(chǔ)單元。操作類型（指令類型）

2、算術(shù)邏輯運(yùn)算

包括定點(diǎn)算術(shù)運(yùn)算、浮點(diǎn)算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算和位操作。

3、移位操作

包括算術(shù)移位、邏輯移位和循環(huán)移位。

4、程序轉(zhuǎn)移

無條件轉(zhuǎn)移 條件轉(zhuǎn)移

子程序調(diào)用與返回 中斷及中斷指令

5、輸入輸出

對(duì)于I/O獨(dú)立編址的計(jì)算機(jī)，通常設(shè)有專門的I/O指令，完成CPU和I/O間的數(shù)據(jù)傳送。

6、其它

包括停機(jī)指令、空操作指令、開/關(guān)中斷指令和置條件碼指令等。

尋址方式（又稱編址方式）指的是確定本條指令的數(shù)據(jù)地址（數(shù)據(jù)尋址）及下一條要執(zhí)行的指令地址（指令尋址）的方法。不同的計(jì)算機(jī)系統(tǒng),使用數(shù)目和功能不同的尋址方式，其實(shí)現(xiàn)的復(fù)雜程度和運(yùn)行性能各不相同。通常需要在指令中為每一個(gè)操作數(shù)專設(shè)一個(gè)地址字段，用來表示數(shù)據(jù)的來源或去向的地址。在指令中給出的操作數(shù)的地址被稱為形式地址，使用形式地址信息并按一定的規(guī)則計(jì)算出來的一個(gè)數(shù)值才是數(shù)據(jù)（或指令）的實(shí)際地址（或有效地址）。返回三、尋址方式

指令的尋址方式反映了程序的運(yùn)行軌跡。

1、順序?qū)ぶ?/p>

通過程序計(jì)數(shù)器PC加1，自動(dòng)形成下一條指令的地址。

2、跳躍尋址

對(duì)應(yīng)于程序轉(zhuǎn)移執(zhí)行的方式，下一條指令的地址由轉(zhuǎn)移類指令直接指出，而不是由PC順序計(jì)數(shù)提供。PC內(nèi)容按轉(zhuǎn)移地址重新設(shè)置。指令的尋址方式在指令的操作數(shù)地址字段，可能要指出：

①運(yùn)算器中的累加器的編號(hào)或?qū)Ｓ眉拇嫫髅Q（編號(hào)）

②輸入/輸出指令中用到的I/O設(shè)備的入出端口地址

③內(nèi)存儲(chǔ)器的一個(gè)存儲(chǔ)單元（或一I/O設(shè)備）的地址數(shù)據(jù)的尋址方式

現(xiàn)在的計(jì)算機(jī)中，尋址方式較多，為了正確、有效地獲得操作數(shù)，通常在指令中安排幾位標(biāo)志位表示所用的尋址方式，稱為“尋址方式碼”或“尋址特征碼”。指令格式如下：

有多種基本尋址方式

和某些符合尋址方式,簡介如下:

操作碼

尋址特征1D1尋址特征2D21、立即數(shù)尋址

所需的一個(gè)操作數(shù)在指令的地址碼部分直接給出。

適用于操作數(shù)固定的情況，提高了指令的執(zhí)行速度。

返回OPDesImme.DataMod源操作數(shù)說明立即尋址只能作為雙操作數(shù)指令的源操作數(shù)。Operand=Imme.Data例：MOVAX,1000H2、存儲(chǔ)器直接尋址返回

操作數(shù)在存儲(chǔ)器中，指令地址字段直接給出操作數(shù)在存儲(chǔ)器中的地址。OPDesAModData說明EA=A,Operand=(A)例：MOVAX,[1000H]存儲(chǔ)器A3、寄存器直接尋址返回

指令地址碼字段給出某一通用寄存器的編號(hào)（地址），且所需的操作數(shù)就在這一寄存器中。OPDesRiMod說明EA=Ri,Operand=(Ri)例：MOVAX,[1000H]…

Data寄存器…

…

Ri

指令的地址碼字段給出的內(nèi)容既不是操作數(shù)，也不是操作數(shù)的地址，而是操作數(shù)地址的地址。分為一次間接或多次間接尋址。4、存儲(chǔ)器間接尋址

返回OPDesA1Mod說明EA=(A1),Operand=((A1))例：MOVR1,@(1000H)

（PDP-11的指令）DataA2存儲(chǔ)器A2A1………

指令地址碼字段給出某一通用寄存器的編號(hào)（地址），該寄存器中存放的是操作數(shù)在內(nèi)存儲(chǔ)器中所在單元的地址。5、寄存器間接尋址返回OPDesRiModA寄存器RiData存儲(chǔ)器A……

說明EA=(Ri),Operand=((Ri))例：MOVAX,[BX]

操作數(shù)在存儲(chǔ)器中，指令地址字段給出一基址寄存器和一形式地址，基變址寄存器的內(nèi)容與形式地址之和是操作數(shù)的內(nèi)存地址。6、基址尋址

返回OPDesAModRbN寄存器Rb+DataA+N存儲(chǔ)器AA+1…

…

…

說明EA=(Rb)+A,Operand=((Rb)+A)例：MOVAX,1000H[BX]主要用于為程序或數(shù)據(jù)分配存儲(chǔ)區(qū)，對(duì)多道程序或浮動(dòng)程序很有用，解決了程序在存儲(chǔ)器中的定位和擴(kuò)大尋址空間等問題。7、變址尋址

返回

操作數(shù)在存儲(chǔ)器中，指令地址字段給出一變址寄存器和一形式地址，變址寄存器的內(nèi)容與形式地址之和是操作數(shù)的內(nèi)存地址。OPDesAModRxN寄存器Rx+DataA+N存儲(chǔ)器AA+1…

…

…

說明EA=(Rx)+A,Operand=((Rx)+A)有的系統(tǒng)中，變址尋址完成后，變址寄存器的內(nèi)容將自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整。Rx(Rx)+?（操作數(shù)Data的字節(jié)數(shù)）例：MOVAX,1000H[DI]

主要用于對(duì)數(shù)組操作和串操作P316表7.1

操作數(shù)（或指令）的地址由程序計(jì)數(shù)器PC的內(nèi)容（即當(dāng)前執(zhí)行指令的地址）和指令的地址碼相加得到。8、相對(duì)尋址

返回OPDesAModNPC+說明EA=(PC)+A,Operand=((PC)+A)例：JNEA主要用于轉(zhuǎn)移指令，對(duì)浮動(dòng)程序很有用。DataA+N存儲(chǔ)器AA+1…

…

…

P317例子

堆棧是一種存儲(chǔ)裝置，它依據(jù)“后進(jìn)先出(LIFO)”的原則存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，有寄存器堆棧和存儲(chǔ)器堆棧，目前通常使用存儲(chǔ)器堆棧。存儲(chǔ)器堆棧是在主存中開辟一塊區(qū)域，該區(qū)域一端固定，稱為棧底；一端是浮動(dòng)的，稱為棧頂，棧頂是數(shù)據(jù)唯一的出入口。堆棧指針始終指向棧頂。

9、堆棧尋址

返回

主要有兩種堆棧的結(jié)構(gòu)：

空棧情況非空棧情況xx...x堆棧指示器SPxx...x棧長棧底/棧頂存儲(chǔ)器Ac-1堆棧指示器SP棧底存儲(chǔ)器AaAbAcacb棧頂壓棧操作(PUSH)：

SPSP-1。(SP)

數(shù)據(jù),出棧操作(POP)：(SP)出棧。

SPSP+1，高址低址

空棧情況非空棧情況xx...x堆棧指示器SPxx...x棧長棧底/棧頂存儲(chǔ)器Ac堆棧指示器SP棧底存儲(chǔ)器AaAbAcacb棧頂壓棧操作(PUSH)：

SPSP-1，(SP)

數(shù)據(jù)。出棧操作(POP)：(SP)出棧。

SPSP+1，高址低址PDP-11指令簡介 PDP-11是美國60年代初期定型的16位小型機(jī)，曾被廣泛應(yīng)用。采用單總線（UNIBUS）結(jié)構(gòu)，CPU內(nèi)有8個(gè)通用寄存器（含PC、SP）。該機(jī)指令的特點(diǎn)是：可以按字或字節(jié)尋址，指令中分為處理字或字節(jié)數(shù)據(jù)的兩類指令操作碼使用逐段擴(kuò)展技術(shù)，在很短的指令字中充分發(fā)揮每位作用。在操作數(shù)地址部分，采用統(tǒng)一尋址方式訪問通用寄存器、主存及外圍設(shè)備，沒有專門的I/O指令；指令的一個(gè)操作數(shù)的地址用6位表示，如右圖所示：ModRi3位八種方式3位共八個(gè)通用寄存器(包括SP,PC)

Mod

Ri000RiRi中的內(nèi)容即為操作數(shù)010(Ri)+Ri中的內(nèi)容為操作數(shù)的地址，用后再將Ri的內(nèi)容+1或+2100-(Ri)先將Ri中的內(nèi)容-1或-2，再用作為操作數(shù)的地址110X(Ri)將Ri中的內(nèi)容與X相加的和作為操作數(shù)的地址001(Ri)011@(R)+101@-(Ri)111@X(Ri)尋址方式編號(hào)是奇數(shù)的模式為間接尋址。8種尋址方式返回

當(dāng)Ri為程序計(jì)數(shù)器PC(R7)

時(shí)，不能使用2、3、6、7

這四種方式：

010

111(R7)+110

111X(R7)

011

111@(R7)+111

111@X(R7)Mod7

2#n立即數(shù)，#n為指令的第二個(gè)字

3@#A絕對(duì)地址，#A為指令的第二個(gè)字

6A相對(duì)尋址

Inst.Addr.+4+X7@A間接相對(duì)尋址X在指令的第二個(gè)字此時(shí)可以將這四種尋址方式轉(zhuǎn)義用于另外的目的，對(duì)操作數(shù)形式地址27、37、67、77的具體規(guī)定：返回

Mod

Ri

Mod

Rj

OP(1)雙操作數(shù)指令

四位六位六位為增加操作碼長度，采用操作碼逐段擴(kuò)展技術(shù)。雙操作數(shù)指令操作碼用4位，從0001-0110，1001-1110，剩下4個(gè)碼點(diǎn)00，07

和10，17

用于擴(kuò)展操作碼到更多位；01SSDDMOV02SSDDCMP03SSDDBIT04SSDDBIC05SSDDBIS06SSDDADD11SSDDMOVB12SSDDCMPB13SSDDBITB14SSDDBICB15SSDDBISB16SSDDSUB返回

Mod

Rj

OP(2)單操作數(shù)指令

十位六位為增加操作碼長度，采用操作碼逐段擴(kuò)展技術(shù)。單操作數(shù)指令的操作碼用10位，從0050-0057，1050-1057，剩下二個(gè)碼點(diǎn)

07，17

用于把操作碼擴(kuò)展到7位或更多位；0050DDCLR0051DDCOM0052DDINC0053DDDEC0054DDNEG0055DDADC0056DDSBC0057DDTST0001DDJMP0030DDSWAP1050DDCLRB1051DDCOMB1052DDINCB1053DDDECB1054DDNEGB1055DDADCB1056DDSBCB1057DDTSTB返回

Mod

Rj

OP

單操作數(shù)指令（續(xù)）NN

十位六位為增加操作碼長度，采用操作碼逐段擴(kuò)展技術(shù)。單操作數(shù)指令的操作碼用10位給出，編碼從0060-0067，1060-1063，操作書地址用6位給出0060DDROR0061DDRPL0062DDASR0063DDASL0064NNMARK0065SSMFPI0066DDMTPI0067DDSXT1060DDRORB1061DDROLB1062DDASRB1063DDASLB1065SSMFPD

1066DDMTPD返回

OP(3)無操作數(shù)指令

十六位為增加操作碼長度，采用操作碼逐段擴(kuò)展技術(shù)。

無操作數(shù)指令操作碼16位，例如，000000~000006等碼000000HALT000001WAIT000002RTI000003BPT000005IOT000005RESET000006RTT000240NOP104000EMT104377104400TRAP104777返回

Ri

Mod

Rj

OP(4)其它特殊指令NN

七位三位六位為增加操作碼長度，采用操作碼逐段擴(kuò)展技術(shù)。①雙操作數(shù),操作碼用7位給出，但其中一個(gè)只用Ri表示:

004RDD,077RNN分別為SOB、JSR指令，

070RSS~074RSS分別為MUL、DIV、ASH、ASHC、XOR②單操作數(shù)。操作碼用13位，一個(gè)操作數(shù)只用Ri表示00020R為RTS,07500R~07501R為FADD、FSUB00023N為

SPL,07502R、07503R為FMUL、FDIV

Rj

OP

十三位三位N返回③相對(duì)轉(zhuǎn)移指令,操作碼用7位給出，轉(zhuǎn)移偏移量用8位補(bǔ)碼

OP

其它特殊指令（續(xù)）

八位八位為增加操作碼長度，采用操作碼逐段擴(kuò)展技術(shù)。XXX0004XXXBR0010XXXBNE0014XXXBEQ0020XXXBGQ0024XXXBLT0030XXXBGT0034XXXBLE1000XXXBPL1004XXXBMI1010XXXBHI1014XXXBLOS1020XXXBVC1024XXXBVS1030XXXBCC、BHIS1034XXXBCS、BLD返回

Mod

Ri

Mod

Rj

OP

指令格式小結(jié)：

四位六位六位

Ri

Mod

Rj

OP（7）

Mod

Rj

OP（10）

Rj

OP（13）

OP（16）

OP（8）為增加操作碼長度，采用操作碼逐段擴(kuò)展技術(shù)NN

OP（10）N

OP（13）XXX返回指令格式設(shè)計(jì)P323例７.４RISC技術(shù)

由于歷史的原因，計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)為了適應(yīng)程序的兼容性、編程的簡潔性和硬件系統(tǒng)功能的完善性，把以前用軟件可以實(shí)現(xiàn)的功能改為用指令實(shí)現(xiàn)，使得計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)越