計(jì)算機(jī)組成原理（計(jì)算機(jī)組織與結(jié)構(gòu)） ch5 指令系統(tǒng)

第五章指令系統(tǒng)

多5.1指令系統(tǒng)概述

多5.2指令格式重點(diǎn)

多5.3數(shù)據(jù)表示

多5.4尋址方式（編址方式）重點(diǎn)

多5.5指令類型

多5.6CISC和RISC

多57機(jī)器、匯編、高級(jí)語(yǔ)言

計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中運(yùn)行的軟件有系統(tǒng)軟件和應(yīng)用軟件兩種。

系統(tǒng)軟件對(duì)整個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)度、管理、監(jiān)視、服

務(wù)，為用戶提供使用方便，擴(kuò)大機(jī)器功能，提高機(jī)器使用效

率O

°應(yīng)用軟件是用戶針對(duì)某種領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用需求而開(kāi)發(fā)的軟

件。許多通用商品化的應(yīng)用軟件現(xiàn)已成為系統(tǒng)軟件，如Word

等。

前述所有各種軟件的設(shè)計(jì)基礎(chǔ)就是計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)。

計(jì)操作系統(tǒng):DOS,WINDOWS,UNIX,.....

算一機(jī)器語(yǔ)言：二進(jìn)制,CPU直接執(zhí)行的指令系統(tǒng)

機(jī)

系程序設(shè)計(jì)—匯編語(yǔ)言：把源程序匯編成機(jī)器語(yǔ)言目標(biāo)程序

易學(xué)好記

統(tǒng)語(yǔ)言/解釋執(zhí)行/BASIC

COBOL事務(wù)管理

軟」高級(jí)語(yǔ)言（

PASCAL易教好學(xué)

件'編譯執(zhí)行VFORTRAN計(jì)算

服務(wù)程序：KV300,PCTOOLS,...'C長(zhǎng)于計(jì)算控制

應(yīng)用軟件：WORD,EXCEL,ACCESS,DBASE,.....

詞解釋

令：命令計(jì)算機(jī)直接進(jìn)行某種基本操作的二進(jìn)制代碼

，也叫機(jī)器語(yǔ)言代碼。每條指令可以完成一個(gè)獨(dú)立的

術(shù)或邏輯運(yùn)算操作。

紛從計(jì)算機(jī)組成的層次結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，計(jì)算機(jī)的指令分為：

:喜散指令是微程序級(jí)的命令，屬于硬件；

:法指令是由若干條機(jī)器指令組成的軟件指令，屬于軟

::

號(hào)機(jī)器指令（簡(jiǎn)稱指令）則介于微指令與宏指令之間。

E殄指令系統(tǒng)：一臺(tái)計(jì)算機(jī)能直接理解與執(zhí)行的

%全部指令的集合稱為該機(jī)的指令系統(tǒng)，也叫

密機(jī)器語(yǔ)言。

它直接說(shuō)明了這臺(tái)計(jì)算機(jī)的功能。不同類型

CPU的指令系統(tǒng)是不能混用與兼容的，但同一

系列的CPU一般升級(jí)后指令都有擴(kuò)充，并可兼

容。

復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)(CISC)

精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)(RISC)

（一）復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)（CISC）

指令系統(tǒng)龐大硬件復(fù)雜、龐大執(zhí)行速度低

編譯程序復(fù)雜、長(zhǎng)部分指令使用效率低

（二）精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)（RISC）

通過(guò)減少指令總數(shù)和簡(jiǎn)化指令的功能來(lái)降低硬件設(shè)計(jì)

的復(fù)雜程度，提高指令執(zhí)行速度，使指令簡(jiǎn)單，有效可行。

對(duì)指令系統(tǒng)性能要求

?完整性：指應(yīng)該具備的基本指令種類，如：傳送、運(yùn)算、

轉(zhuǎn)移、I/O、處理機(jī)控制和調(diào)試等

?規(guī)整性包括：

?對(duì)稱性：所有寄存器頭等對(duì)待操作碼的設(shè)置等都要對(duì)

稱，如：A—B與B—A

均勻性：不同的數(shù)據(jù)類型、字長(zhǎng)、存儲(chǔ)設(shè)備、操作種

類要設(shè)置相同的指令

?高效率：指令的執(zhí)行速度要快；指令的使用頻度要高;

各類指令之間要有一定的比例

?兼容性：在同一系列機(jī)內(nèi)指令系統(tǒng)不變（可適當(dāng)增加）

I5.2指令格式

5.2.1指令格式

指令字：代表指令的一組二進(jìn)制代碼信息;

8指令長(zhǎng)度：指令字中二進(jìn)制代碼的位數(shù)；

1、典型的指令格式

OPA

操作碼0P—指明操作性質(zhì)的命令碼，

提供指令的操作控制信息。

地址碼（操作數(shù)）A——說(shuō)明操作數(shù)存放的地址,

有時(shí)則就是操作數(shù)本身。

2、指令格式的五種類型

——根據(jù)地址碼個(gè)數(shù)的不同而劃分。

1)零地址指令I(lǐng)OP

例：NOP、HLT,也叫無(wú)操作數(shù)指令

2)一地址指令OPA

例：遞增，移位,取反，INCAX,NOTBX

3）二地址指令I(lǐng)OPIAlIA2

例：ADDAlA2

[A1]+[A2]-[Al],[A2]為源地址，[Al]目的地址

3）三地址指令I(lǐng)OPIAlIA2IA3I

例：［A1］+［A2］-＞［A3］,其中［Al］、［A2］為源地

址，［A3］為目的地址，操作后源地址內(nèi)容不

變僅被拷貝

4）多地址指令：用于實(shí)現(xiàn)成批數(shù)據(jù)處理。

522指令操作碼的擴(kuò)展技術(shù)

操作碼的位數(shù)限制指令系統(tǒng)中完成操作的指令條數(shù)。

固定格式操作碼

操作碼長(zhǎng)度固定，一般集中于指令字的一個(gè)字段中。在

字長(zhǎng)較大的大中型以及超級(jí)小型機(jī)上廣泛使用。

優(yōu)點(diǎn)：有利于簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)，減少譯碼時(shí)間

可變格式操作碼

通常在指令字中用一個(gè)固定長(zhǎng)度的字段來(lái)表示基本的操

作碼，而對(duì)于一部分少地址指令則把它們的操作碼擴(kuò)充

到該指令的地址字段，即操作碼長(zhǎng)度可以改變。

這種方法在不增加指令字長(zhǎng)度的情況下可表示更多的指

令，但增加了譯碼和分析難度，需更多硬件支持。

假設(shè)某機(jī)器的指令長(zhǎng)度為16位，包括4位基本操作碼

和三個(gè)4位地址碼段。

15...1211……87……43…0

OPA1A2A3

4位基本操作碼可表示16個(gè)狀態(tài)，因此如用

4位操作碼則能表示16條三地址指令，而用8位操作碼

則可表示256條二地址指令。而用12位操作碼則可表

示4096條一地址指令。

B同樣情況下，如果需要三地址、二地址、一地址指令

題各15條、零地址指令16條，則一樣能夠采用可變格式

翻操作碼實(shí)現(xiàn)。例如可以這樣規(guī)定：

15條三地址指令的操作碼為：0000-1110,最后

一個(gè)1111用于將操作碼擴(kuò)展到A1

15條二地址指令的操作碼為：前4位1111,

即11110000-11111110

15條一地址指令的操作碼為：前8位均為1,

即111111110000-111111111110

16條零地址指令的操作碼為：前12位均為1,

即1111111111110000-1111111111111111

再如：同樣情況下用可變格式操作碼分別形成三地

址指令、二地址指令、一地址指令和零地址指令15、

14、31、16條。按要求得到結(jié)果之一如下

15條三地址為：

0000-1110

14條二地址為：

11110000-11111101

31條一地址為：

111111100000-111111111110

16條零地址為：

1111111111110000-1111111111111111

2.3指令長(zhǎng)度與機(jī)器字長(zhǎng)的關(guān)系

機(jī)器字長(zhǎng)是指計(jì)算機(jī)能直接處理的二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位

數(shù)，是重要的性能標(biāo)志。

?1）決定了計(jì)算機(jī)的運(yùn)算精度

?2）決定了指令直接尋址能力

指令字長(zhǎng)度是指一個(gè)指令字中包含二進(jìn)制代碼的位

數(shù)。主要取決于操作碼的長(zhǎng)度、操作數(shù)地址的長(zhǎng)度和

操作數(shù)地址的個(gè)數(shù)。各指令的長(zhǎng)度不固定，通常為字

節(jié)的整數(shù)倍。

多指令長(zhǎng)度與機(jī)器的字長(zhǎng)沒(méi)有固定的關(guān)系

指令。機(jī)器字長(zhǎng)，稱短格式指令

指令》機(jī)器字長(zhǎng)，稱長(zhǎng)格式指令

同一臺(tái)計(jì)算機(jī)中可能既有短格式指令又有長(zhǎng)格式指

令，但通常是把最常用的指令（如算術(shù)邏輯運(yùn)算指

令、數(shù)據(jù)傳送指令）設(shè)計(jì)成短格式指令，以便節(jié)省

存儲(chǔ)空間和提高指令的執(zhí)行速度。

多在Pentium系列機(jī)中，指令格式也是可變的：由8位、16位、32

位、64位不等。

f5.3數(shù)據(jù)表示

多目前所用的數(shù)據(jù)（字）長(zhǎng)度一般為32/64位，4/8

個(gè)字節(jié)。內(nèi)存地址按字節(jié)編址。

8r多計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)可支持對(duì)字節(jié)、半字、字、

露雙字的運(yùn)算，有的還支持位操作。

::鄉(xiāng)為便于硬件的實(shí)現(xiàn)，一般要求多字節(jié)數(shù)據(jù)采

:t用對(duì)準(zhǔn)數(shù)據(jù)邊界的方式儲(chǔ)存。不合要求則填

￥充空白字節(jié)（無(wú)操作）代替。

對(duì)準(zhǔn)邊界格式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)

4字節(jié)32位存儲(chǔ)器地址

字地址00

字地址44

半字地址10半字地址88

字節(jié)地址15字節(jié)地址14半字地址1212

字節(jié)地址19字節(jié)地址18字節(jié)地址17字節(jié)地址1616

半字地址22字節(jié)地址21字節(jié)地址2020

1）從存儲(chǔ)字的起始位置開(kāi)始

2）從地址的整數(shù)被開(kāi)始

有的計(jì)算機(jī)不要求對(duì)準(zhǔn)邊界存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，如下

圖所示，但這種方式增加硬件的復(fù)雜程度，并

且有可能導(dǎo)致訪問(wèn)次數(shù)增加。

32位、4個(gè)字節(jié)地址

半字的「半字節(jié)半字0

一字的3/4半字另一半4

半字一字的1/48

R5.4尋址方式（編址方式）

多尋址方式：指令中如何提供操作數(shù)或操作數(shù)

厭3地址。換句話說(shuō)就是規(guī)定如何對(duì)地址字段作出

J解釋以找到操作數(shù)。

t翁立即尋址

卷直接尋址

為間接尋址]j，

I卷變址尋址

7與相對(duì)尋址等

喘您或者這幾種方式的組合與變形。

多指令字中必須設(shè)一字段來(lái)指明屬哪一種尋址方式。

指令的地址碼字段，通常都不代表操作數(shù)的真實(shí)

地址，把它稱作形式地址，記作A。操作數(shù)的真實(shí)

地址叫做有效地址，記作EA,它是由尋址方式和

形式地址共同來(lái)確定的。

操作碼尋址特征形式地址A

操作數(shù)本身設(shè)在指令字內(nèi)，即形式地址A不是

操作數(shù)的地址，而是操作數(shù)本身，又稱之為立

即數(shù)。數(shù)據(jù)是采用補(bǔ)碼形式存放的，如下圖所

示，圖中#表示立即尋址特征標(biāo)記。

立即尋址特征

OP#A

行速度。

多缺點(diǎn)：A的位數(shù)限制了這類指令所能表述的

立即數(shù)的范圍，且不便修改。適合操作數(shù)固

定的情況。

多例:MOVAX,例H的結(jié)果:

(AX)-1AH

多指令字中的形式地址A就是操作數(shù)的真實(shí)地

址EA,即

■BsEA=A

尋址特征

主存

操作數(shù)

門計(jì)算操作數(shù)的地址，在指令執(zhí)行階段對(duì)

主存只訪問(wèn)一次

多缺點(diǎn)：A的位數(shù)限制了指令的尋址范圍，

而且必須修改A的值，才能修改操作數(shù)的

地址。

多例：MOVAX,[011OH]

指令字中的形式地址不直接指出操作數(shù)的地址，而

是指出操作數(shù)有效地址所在的存儲(chǔ)單元地址，也就

是說(shuō)，有效地址是由形式地址間接提供的，故為間

接尋址。即

EA=(A)

孵這種尋址方式與直接尋址相比，它擴(kuò)大了操

作數(shù)的尋址范圍。若設(shè)指令字長(zhǎng)和存儲(chǔ)字長(zhǎng)

均為16位，A為8位，顯然直接尋址范圍為28,

i一次間址的尋址范圍可達(dá)2偉。

:淮多當(dāng)多次間址時(shí)，可用存儲(chǔ)字的首位來(lái)標(biāo)志間

接尋址是否結(jié)束。因此，它的尋址范圍為215。

多間接尋址的第二個(gè)優(yōu)點(diǎn)在于它便于編制程序。

—.......一.....................黑'--------—....................」-----

、寄存器（直接）尋址

在指令的地址碼部分給出某一寄存器的

名稱，而所需的操作數(shù)就在這個(gè)寄存器

中。

多例：MOVAX,BX

其中BX為源操作數(shù)地

址，AX為目的操作數(shù)

地址，操作的結(jié)果為

將BX中的數(shù)據(jù)傳送

（拷貝）到AX中。

5、寄存器間接尋址

殄寄存器中的內(nèi)容不是操作數(shù)，而是操作數(shù)所在主存

單元的地址號(hào)，即EA=(Ri)。與寄存器尋址相比,

指令的執(zhí)行階段還需訪問(wèn)主存。

多優(yōu)點(diǎn)：改變寄存器Ri中的

內(nèi)容就可訪問(wèn)內(nèi)存的不同

地址。修改十分方便。

多缺點(diǎn)：二次尋址速度慢。

多例：MOVAX,[BX]

圖(h)寄存器間接尋址

6、基址尋址

基址尋址需設(shè)有基址寄存器BR,其操作數(shù)的有

效地址EA等于指令字中的形式地址與基址寄存

器中的內(nèi)容(稱作基地址)相加。即

MBSEA=A+(BR)

圖(a)專用基址寄存器BR圖(b)通用寄存器作基址寄存器

基址尋址可以擴(kuò)大指令對(duì)主存的尋址范圍，例如，

將內(nèi)存空間分為若干段，每段首地址存于基址寄

存器中，段內(nèi)的位移量由指令字中形式地址A指出,

只要對(duì)基址寄存器的內(nèi)容作修改，便可訪問(wèn)主存

的任一單元。

7、變址尋址

多變址尋址與基址尋址極為相似；其有效

地址，EA等于指令字中的形式地址A與變

址寄存器IX的內(nèi)容相加之和。即

EA=A+(IX)

多變址尋址還可以與其他尋址方式結(jié)合使用。

例如變址尋址可與基址尋址合用，即

EA=A+(IX)+(BR)

殄變址尋址還可與間接地址合用，形成先變址

后間址或先間址再變址等尋址方式。

也稱程序計(jì)數(shù)器尋址，有效地址是將程序計(jì)數(shù)器PC的

內(nèi)容（即當(dāng)初前指令的地址）與指令字中的形式地址

A（可正可負(fù)）相加而成。即EA=（PC）+A

相對(duì)尋址方式主要應(yīng)用于相對(duì)轉(zhuǎn)移指令。由于目的地址隨PC變

化不固定，所以非常適用于浮動(dòng)程序的裝配與運(yùn)行。

9、堆棧尋址

殄在堆棧尋址的指令字中沒(méi)有形式地址碼字段，它是

一種零地址指令。

用SP指出棧頂，也可用CPU中一個(gè)或兩個(gè)寄存器作為SP。堆

棧尋址就其本質(zhì)也可視為寄存器間址，因SP可視為寄存器；

它存放著操作數(shù)的有效地址。

5.5指令類型

指令分類：算術(shù)邏輯指令移位指令

I/O指令傳送指令

控制指令堆棧指令

轉(zhuǎn)移指令浮點(diǎn)運(yùn)算指令

字符串處理指令十進(jìn)制運(yùn)算指令

系統(tǒng)調(diào)用指令（特權(quán)指令）

曾1、算術(shù)運(yùn)算指令^^■■■1

P紛算術(shù)運(yùn)算指令：一般包括定點(diǎn)、浮點(diǎn)的加、］

1減、乘、除運(yùn)算。根據(jù)運(yùn)算結(jié)果改變標(biāo)志

寄存器的狀態(tài)位。

《ADD,ADC,SUB,SBB,INC,DEC,DIV,

科MUL

；!弊邏輯運(yùn)算：一般包括邏輯與，邏輯或，邏

：i輯非，邏輯異或等運(yùn)算，是以二進(jìn)制為單

:位按位進(jìn)行運(yùn)算。

OR,AND,XOR,NOT

多2、移位指令

多算術(shù)移位：左移時(shí)空位補(bǔ)0而符號(hào)位進(jìn)標(biāo)志

位，右移時(shí)空位復(fù)制符號(hào)位而溢出位進(jìn)標(biāo)

志位。

多邏輯移位：整體移位，空位補(bǔ)0,溢出進(jìn)標(biāo)

志位。

多循環(huán)移位：有不帶進(jìn)位循環(huán)和帶進(jìn)位循環(huán)。

前者循環(huán)后的溢出位進(jìn)標(biāo)志位，后者與標(biāo)

志位一起循環(huán)。

3、數(shù)據(jù)傳送指令

用以實(shí)現(xiàn)寄存器與寄存器之間(MOVAX,BX)、寄存

器與內(nèi)存單元之間(MOV[0001H],AX)以及內(nèi)存單元相

互之間的數(shù)據(jù)傳送。數(shù)據(jù)能夠被從源地址傳送到

目的地址，而源地址中數(shù)據(jù)不變，——拷貝。

包括：立即數(shù)送寄存器(MOVAX,1)、將數(shù)據(jù)送

到不同字長(zhǎng)的寄存器中(MOVAL,78H>

MOVAX,A0A0HMOVEAX,12345678H)以及寄存

器組數(shù)據(jù)交換等操作指令。

I4、轉(zhuǎn)移指令

多作用：根據(jù)邏輯判斷結(jié)果，改變程序的執(zhí)行順序。

多無(wú)條件轉(zhuǎn)移指令強(qiáng)迫CPU運(yùn)行程序地址轉(zhuǎn)移至新地

址開(kāi)始執(zhí)行程序。

有條件轉(zhuǎn)移指令根據(jù)當(dāng)前運(yùn)算的結(jié)果進(jìn)行邏輯判

斷，符合判斷條件則轉(zhuǎn)移到指令表明的新地址處

執(zhí)行程序，否則繼續(xù)按原順序執(zhí)行原來(lái)的程序。

0

多調(diào)用指令(call)和返回(return)指令

琳多call實(shí)現(xiàn)從一個(gè)程序轉(zhuǎn)去執(zhí)行子程序的操作;

return則使CPU結(jié)束執(zhí)行子程序而返回執(zhí)行原

程序。

5、堆棧及堆棧操作指令

堆棧（stack）是由若干個(gè)連續(xù)存儲(chǔ)單元組

成的先進(jìn)后出的存儲(chǔ)區(qū)，有一個(gè)堆棧指針

SP,任何堆棧操作只能在棧頂進(jìn)行。

多在一般計(jì)算機(jī)中堆棧主要用來(lái)暫存中斷和子程序

調(diào)用時(shí)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)及返回地址，用于訪問(wèn)堆棧的指

令只有壓人push和彈出pop兩種，它們實(shí)際上是

一種特殊的數(shù)據(jù)傳送指令。

6、其他特殊指令

g專用指令用來(lái)完成特殊的專門操作。如：暫停、等待

黝、空操作、位操作、以及開(kāi)中斷、關(guān)中斷等等。

特權(quán)指令分配和管理系統(tǒng)資源，防止非法用戶對(duì)系統(tǒng)

資源及其他用戶程序的修改、打印以及刪除等。

指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有兩個(gè)截然相反的方向：

1.復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)CISC

(ComplexInstructionSetComputer)

增強(qiáng)指令功能，設(shè)置功能復(fù)雜的指令

面向目標(biāo)代碼、高級(jí)語(yǔ)言和操作系統(tǒng)

用一條指令代替一串指令

2.精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)RISC

(ReducedInstructionSetComputer)

只保留功能簡(jiǎn)單的指令

功能較復(fù)雜的指令用子程序來(lái)實(shí)現(xiàn)

1、增設(shè)強(qiáng)功能復(fù)合指令來(lái)取代常用宏指令或子程序

指令格式的優(yōu)化。

MMX(MultiMediaextensions)(多媒體擴(kuò)展)的縮寫就是用硬件

指令來(lái)代替原軟件的多媒體指令。

3DNow!

、增強(qiáng)對(duì)高級(jí)語(yǔ)言的支持

、增設(shè)專用于OS的新指令；對(duì)OS中頻繁使用的某些

軟件子程序硬化；

?CISC指令系統(tǒng)存在的問(wèn)題：一、

1、20%與80%規(guī)律

?CISC中，大約20%的指令占據(jù)了80%的處理機(jī)時(shí)間o

?8088處理機(jī)的指令種類約100種

前11種(11%)指令的使用頻度已經(jīng)超過(guò)80%

前20種(20%)指令:使用頻度達(dá)到916％,運(yùn)行

時(shí)間達(dá)到9772%；

其余80%指令：使用頻度只有8.9%,只占2.28%的

處理機(jī)運(yùn)行時(shí)間

2、VLSI技術(shù)的發(fā)展引起的問(wèn)題

CISC的控制邏輯復(fù)雜、不規(guī)整，給VLSI的工藝實(shí)現(xiàn)帶來(lái)

了極大的困難，而RISC的控制邏輯簡(jiǎn)單規(guī)整，正好適應(yīng)

了VLSI工藝的規(guī)整性要求。

?3、軟硬件的功能分配問(wèn)題

?CISC中通過(guò)增加指令系統(tǒng)的功能，簡(jiǎn)化了軟件，增加了

硬件的復(fù)雜度，指令的執(zhí)行周期變長(zhǎng)，從而可能使整個(gè)

程序的執(zhí)行時(shí)間變長(zhǎng)，而RISC則盡量縮短指令的平均執(zhí)

行周期。

一般CISC處理機(jī)的指令平均執(zhí)行周期都在4以上，有些

在10以上

p5.6.2RISC

“卡內(nèi)基梅隆大學(xué)(CarnegieMellon)論述RISC的特點(diǎn):

(1)使絕大多數(shù)指令在單周期內(nèi)完成；

(2)采用LOAD/STORE結(jié)構(gòu)，盡量減少訪存指令的種類；

(3)采用硬布線控制邏輯，加快執(zhí)行速度；

(4)減少指令和尋址方式的種類，簡(jiǎn)化控制部件的結(jié)構(gòu);