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指令系統(tǒng)

指令是指計算機執(zhí)行一些操作命令，一臺計算機全部指令集合組成該機指令系統(tǒng)。指令系統(tǒng)第1頁從計算機組成層次結(jié)構(gòu)來說，計算機指令有微指令、機器指令和宏指令之分。

微指令：微程序級命令，它屬于硬件；

宏指令：由若干條機器指令組成軟件指令，它屬于軟件；

機器指令（指令）：介于微指令與宏指令之間，每條指令可完成一個獨立算術(shù)運算或邏輯運算。指令系統(tǒng)第2頁指令系統(tǒng)發(fā)展

50年代：指令系統(tǒng)只有定點加減、邏輯運算、數(shù)據(jù)傳送、轉(zhuǎn)移等十幾至幾十條指令。60年代后期：增加了乘除運算、浮點運算、十進制運算、字符串處理等指令，指令數(shù)目多達一二百條，尋址方式也趨多樣化。60年代后期開始出現(xiàn)系列計算機(指基本指令系統(tǒng)相同、基本體系結(jié)構(gòu)相同一系列計算機)一個系列往往有各種型號，它們在結(jié)構(gòu)和性能上有所差異。同一系列各機種有共同指令集而且新推出機種指令系統(tǒng)一定包含全部舊機種全部指令,舊機種上運行各種軟件能夠不加任何修改便可在新機種上運行，大大降低了軟件開發(fā)費用。

70年代末期:大多數(shù)計算機指令系統(tǒng)多達幾百條。我們稱這些計算機為復雜指令系統(tǒng)計算機(CISC)。

不過如此龐大指令系統(tǒng)難以確保正確性，不易調(diào)試維護，造成硬件資源浪費。為此人們又提出了便于VLSI技術(shù)實現(xiàn)精簡指令系統(tǒng)計算機（RISC）。指令系統(tǒng)第3頁一個完善指令系統(tǒng)應滿足以下四方面要求：1.完備性

用匯編語言編寫各種程序時，指令系統(tǒng)直接提供指令足夠使用，而無須用軟件來實現(xiàn)。完備性要求指令系統(tǒng)豐富、功效齊全、使用方便。

2.有效性

利用該指令系統(tǒng)所編寫程序能夠高效率運行。高效率主要表現(xiàn)在程序占據(jù)存放空間小、執(zhí)行速度快。普通來說，一個功效更強、更完善指令系統(tǒng)，必定有更加好有效性。3.規(guī)整性

規(guī)整性包含指令系統(tǒng)對稱性、勻齊性、指令格式和數(shù)據(jù)格式一致性。

對稱性指在指令系統(tǒng)中全部存放器和存放器單元都可同等對待，全部指令都可使用各種尋址方式；

勻齊性是指一個操作性質(zhì)指令能夠支持各種數(shù)據(jù)類型；

指令格式和數(shù)據(jù)格式一致性是指指令長度和數(shù)據(jù)長度有一定關(guān)系，以方便處理和存取。4.兼容性

系列機各機種之間含有相同基本結(jié)構(gòu)和共同基本指令集，因而指令系統(tǒng)是兼容，即各機種上基本軟件能夠通用。但因為不一樣機種推出時間不一樣，在結(jié)構(gòu)和性能上有差異，做到全部軟件都完全兼容是不可能，只能做到“向上兼容”，即低級機上運行軟件能夠在高檔機上運行。指令系統(tǒng)第4頁指令格式機器指令基本格式

操作碼字段地址碼字段操作碼指明了指令操作性質(zhì)及功效，地址碼則給出了操作數(shù)地址。指令系統(tǒng)第5頁操作碼操作碼字段表征指令操作特征與功效；操作碼字段位數(shù)取決于指令系統(tǒng)規(guī)模，有固定位數(shù)和可變位數(shù)；若操作碼字段位數(shù)固定為n位，則指令系統(tǒng)最多可表示2n條指令。指令系統(tǒng)第6頁操作碼指令系統(tǒng)每一條指令都有一個操作碼，它表示該指令應進行什么性質(zhì)操作。不一樣指令用操作碼字段不一樣編碼來表示，每一個編碼代表一個指令。組成操作碼字段位數(shù)普通取決于計算機指令系統(tǒng)規(guī)模。比如，一個指令系統(tǒng)只有8條指令，則有3位操作碼就夠；假如有32條指令，那么就需要5位操作碼。對于一個機器指令系統(tǒng)，在指令字中操作碼字段和地址碼字段長度通常是固定。在單片機中，因為指令字較短，為了充分利用指令字長度，指令字操作碼字段和地址碼字段是不固定，即不一樣類型指令有不一樣劃分，方便盡可能用較短指令字長來表示越來越多操作種類，并在越來越大存放空間中尋址。指令系統(tǒng)第7頁地址碼地址碼字段通常指定參加操作操作數(shù)地址或操作數(shù)本身。

依據(jù)一條指令中有幾個操作數(shù)地址，可將該指令稱為幾操作數(shù)指令或幾地址指令。

普通操作數(shù)有被操作數(shù)、操作數(shù)及操作結(jié)果這三種數(shù)，因而就形成了三地址指令格式。在此基礎上，以后又發(fā)展成四地址、二地址格式、一地址格式和零地址格式指令系統(tǒng)第8頁地址碼結(jié)構(gòu)

（1）、四地址指令（2）、三地址指令（3）、二地址指令（4）、一地址指令（5）、零地址指令指令系統(tǒng)第9頁

（1）四地址指令

OPA1A2A3A4指令含義（A1）OP（A2）A3A4表示下條要執(zhí)行指令地址。指令系統(tǒng)第10頁（2）三地址指令OPA1A2A3(A1)OP(A2)A3

隱含（PC）+1PC

A1為被操作數(shù)地址，也稱源操作數(shù)地址；A2為操作數(shù)地址，也稱終點操作數(shù)地址；A3為存放結(jié)果地址。一樣，A1，A2，A3能夠是內(nèi)存中單元地址，也能夠是運算器中通用存放器地址。指令系統(tǒng)第11頁（3）二地址指令OPA1A2(A1)OP(A2)A1隱含（PC）+1PC二地址指令常稱為雙操作數(shù)指令，它兩個地址碼字段分別指明參加操作兩個數(shù)在內(nèi)存中或運算器中通用存放器地址，A1作存放操作結(jié)果地址。指令系統(tǒng)第12頁（4）一地址指令OPA1(AC)OP(A1)AC隱含（PC）+1PC這種指令也有兩種情況：一是指令本身只需要一個操作數(shù)，如求反指令NOT；二是即使需要兩個操作數(shù)，但指令以運算器中累加存放器AC中數(shù)據(jù)為被操作數(shù)，指令字地址碼字段所指明數(shù)為操作數(shù)，操作結(jié)果又放回累加存放器AC中。指令系統(tǒng)第13頁

（5）零地址指令

OP這種指令有兩種情況：一是該指令不需要操作數(shù)，如空操作指令NOP；二是該指令隱含一個操作數(shù)位于累加器AC中。如十進制修正指令DAA。指令系統(tǒng)第14頁指令字長度指令字長度：一個指令字中包含二進制代碼位數(shù)。有等長和變長兩種。等長指令處理結(jié)構(gòu)簡單，在對于操作碼字段位數(shù)可變情況下，利用地址碼個數(shù)不一樣，可將操作碼向地址碼部分延伸，從而增加指令條數(shù)。

機器字長：計算機能直接處理二進制數(shù)據(jù)位數(shù)，它決定了計算機運算精度。指令系統(tǒng)第15頁其中:L為指令字長度，N為機器字長度指令系統(tǒng)第16頁使用多字長指令，目標在于提供足夠地址位來處理訪問內(nèi)存任何單元尋址問題。其主要缺點是必須兩次或?qū)掖卧L問內(nèi)存以取出一整條指令，降低了CPU運算速度，又占用了更多存放空間。等長指令字結(jié)構(gòu):各種指令字長度是相等。這種指令字結(jié)構(gòu)簡單，且指令字長度是不變。變長指令字結(jié)構(gòu):各種指令字長度隨指令功效而異。結(jié)構(gòu)靈活，能充分利用指令長度，但指令控制較復雜。指令系統(tǒng)第17頁指令助記符因為硬件只能識別1和0，所以采取二進制操作碼是必要，不過我們用二進制來書寫程序卻非常麻煩。為了便于書寫和閱讀程序，每條指令通慣用3個或4個英文縮寫字母來表示。這種縮寫碼叫做指令助記符。指令系統(tǒng)第18頁經(jīng)典指令助記符典型指令

指令助記符

二進制操作碼

加法

ADD001減法

SUB010傳送

MOV011跳轉(zhuǎn)

JMP100轉(zhuǎn)子

JSR101存儲

STR110讀數(shù)

LDA111指令系統(tǒng)第19頁如上表所表示，這里我們假定指令系統(tǒng)只有7條指令，所以操作碼只需3位二進制。因為指令助記符提醒了每條指令意義，所以比較輕易記憶，書寫起來比較方便，閱讀程序輕易了解。

需要注意是，在不一樣計算機中，指令助記符要求是不一樣。所以，指令助記符還必須轉(zhuǎn)換成與它們相對應二進制碼。這種轉(zhuǎn)換借助匯編程序能夠自動完成，匯編程序相當于一個“翻譯”。指令系統(tǒng)第20頁指令擴展技術(shù)

假如指令長度一定，則地址碼與操作碼字段長度是相互制約。為了處理這一矛盾，讓操作數(shù)地址個數(shù)多指令（三地址指令）地址碼字段短些，操作數(shù)地址個數(shù)少指令（一或零地址指令）操作碼字段長些，這么既能充分地利用指令各個字段，又能在不增加指令長度情況下擴展操作碼位數(shù)，使它能表示更多指令.指令系統(tǒng)第21頁指令擴展技術(shù)

例：設某機指令長度為16位，操作碼字段為4位，有三個4位地址碼字段，其格式為：

OPA1A2A3指令系統(tǒng)第22頁尋址技術(shù)把指令中地址碼字段給出地址稱為形式地址（用字母A表示），這個地址有可能不能直接用來訪問內(nèi)存。形式地址經(jīng)過某種運算而得到能夠直接訪問內(nèi)存地址稱為有效地址（用字母EA表示）。從形式地址生成有效各種方式稱為尋址方式。指令系統(tǒng)第23頁尋址技術(shù)基本尋址方式（1）、馬上尋址指令地址字段指出不是操作數(shù)地址，而是操作數(shù)本身。這種方式特點是指令執(zhí)行時間很短，不需要訪問內(nèi)存取數(shù)。比如：單地址移位指令格式為

OP(移位)

F

D這里D不是地址，而是一個操作數(shù)。F為標志位，當F＝1，操作數(shù)進行右移；當F＝0時，操作數(shù)進行左移。指令系統(tǒng)第24頁（2）、直接尋址S=（A）指令中地址碼字段給出地址A就是操作數(shù)有效地址，即形式地址等于有效地址：EA=A。指令系統(tǒng)第25頁(3)存放器直接尋址S=（R1）存放器直接尋址指令地址碼部分給出某一個通用存放器編號，這個指定存放器中存放著操作數(shù)。指令系統(tǒng)第26頁尋址技術(shù)（4）間接尋址間接尋址意味著指令中給出地址A不是操作數(shù)地址；而是存放操作數(shù)地址內(nèi)存單元地址，簡稱操作數(shù)地址地址。通常在指令格式中劃出一位作為直接或間接尋址標志位。間接尋址方式是早期計算機中經(jīng)常采取方式，但因為兩次訪存，影響指令執(zhí)行速度，現(xiàn)在已不大使用。指令系統(tǒng)第27頁尋址技術(shù)（5）存放器間接尋址為了克服間接尋址中訪存次數(shù)多缺點，可采取存放器間接尋址，即指令中地址碼給出某一通用存放器編號，在被指定存放器存放操作數(shù)有效地址，而操作數(shù)則存放在內(nèi)存單元中，指令系統(tǒng)第28頁尋址技術(shù)（6）變址尋址S=（A+(Rx)）但使用變址尋址方式目標不在于擴大尋址空間，而在于實現(xiàn)程序塊規(guī)律性改變。指令系統(tǒng)第29頁尋址技術(shù)（7）基址尋址S=（(Rb)+D）基址尋址方式是將CPU中基址存放器內(nèi)容加上指令格式中形式地址而形成操作數(shù)有效地址。

它優(yōu)點是能夠擴大尋址能力。同形式地址相比，基址存放器位數(shù)能夠設置得很長，從而能夠在較大存放空間中尋址。指令系統(tǒng)第30頁尋址技術(shù)（8）相對尋址EA=（PC）+D相對尋址是基址尋址一個變通，由程序計數(shù)器PC提供基準地址，指令中地址碼字段作為位移量D，二者相加后得到操作數(shù)有效地址，即EA=（PC）+D。位移量指出是操作數(shù)和現(xiàn)行指令之間相對位置。指令系統(tǒng)第31頁[例]一個二地址RS型指令結(jié)構(gòu)以下所表示：

其中I為間接尋址標志位，X為尋址模式字段，D位偏移量字段。經(jīng)過I，X，D組合，可組成下表所表示尋址方式。請寫出六種尋址方式名稱。指令系統(tǒng)第32頁[解]：⑴直接尋址⑵相對尋址⑶變址尋址⑷存放器間接尋址⑸間接尋址⑹基址尋址指令系統(tǒng)第33頁指令類型1、數(shù)據(jù)傳送類指令數(shù)據(jù)傳送指令主要包含取數(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、堆棧操作指令等等。這類指令主要用來實現(xiàn)主存和存放器之間，或存放器和存放器之間數(shù)據(jù)傳送。指令系統(tǒng)第34頁2.算術(shù)運算指令這類指令包含二進制訂點加、減、乘、除指令，浮點加、減、乘、除指令，求反、求補指令，算術(shù)移位指令，算術(shù)比較指令，十進制加、減運算指令等。這類指令主要用于定點或浮點算術(shù)運算，大型機中有向量運算指令，直接對整個向量或矩陣進行求和、求積運算。3.邏輯運算指令這類指令包含邏輯加、邏輯乘、按位加、邏輯移位等指令，主要用于無符號數(shù)位操作、代碼轉(zhuǎn)換、判斷及運算。移位指令用來對存放器內(nèi)容實現(xiàn)左移、右移或循環(huán)移位。指令系統(tǒng)第35頁4.程序控制指令程序控制指令也稱轉(zhuǎn)移指令。執(zhí)行程序時，有時機器執(zhí)行到某條指令時，出現(xiàn)了幾個不一樣結(jié)果，這時機器必須執(zhí)行一條轉(zhuǎn)移指令，依據(jù)不一樣結(jié)果進行轉(zhuǎn)移，從而改變程序原來執(zhí)行次序。這種轉(zhuǎn)移指令稱為條件轉(zhuǎn)移指令。除各種條件轉(zhuǎn)移指令外，還有沒有條件轉(zhuǎn)移指令、轉(zhuǎn)子程序指令、返回主程序指令、中止返回指令等。轉(zhuǎn)移指令轉(zhuǎn)移地址普通采取直接尋址和相對尋址方式來確定。5.輸入輸出指令輸入輸出指令主要用來開啟外圍設備，檢驗測試外圍設備工作狀態(tài)，并實現(xiàn)外部設備和CPU之間，或外圍設備與外圍設備之間信息傳送。指令系