指令系統(tǒng)市公開課一等獎(jiǎng)省賽課獲獎(jiǎng)?wù)n件

指令系統(tǒng)

指令是指計(jì)算機(jī)執(zhí)行一些操作命令，一臺(tái)計(jì)算機(jī)全部指令集合組成該機(jī)指令系統(tǒng)。指令系統(tǒng)第1頁(yè)從計(jì)算機(jī)組成層次結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，計(jì)算機(jī)指令有微指令、機(jī)器指令和宏指令之分。

微指令：微程序級(jí)命令，它屬于硬件；

宏指令：由若干條機(jī)器指令組成軟件指令，它屬于軟件；

機(jī)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(gè)獨(dú)立算術(shù)運(yùn)算或邏輯運(yùn)算。指令系統(tǒng)第2頁(yè)指令系統(tǒng)發(fā)展

50年代：指令系統(tǒng)只有定點(diǎn)加減、邏輯運(yùn)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(yùn)算、浮點(diǎn)運(yùn)算、十進(jìn)制運(yùn)算、字符串處理等指令，指令數(shù)目多達(dá)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(jì)算機(jī)(指基本指令系統(tǒng)相同、基本體系結(jié)構(gòu)相同一系列計(jì)算機(jī))一個(gè)系列往往有各種型號(hào)，它們?cè)诮Y(jié)構(gòu)和性能上有所差異。同一系列各機(jī)種有共同指令集而且新推出機(jī)種指令系統(tǒng)一定包含全部舊機(jī)種全部指令,舊機(jī)種上運(yùn)行各種軟件能夠不加任何修改便可在新機(jī)種上運(yùn)行，大大降低了軟件開發(fā)費(fèi)用。

70年代末期:大多數(shù)計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)多達(dá)幾百條。我們稱這些計(jì)算機(jī)為復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)(CISC)。

不過(guò)如此龐大指令系統(tǒng)難以確保正確性，不易調(diào)試維護(hù)，造成硬件資源浪費(fèi)。為此人們又提出了便于VLSI技術(shù)實(shí)現(xiàn)精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)（RISC）。指令系統(tǒng)第3頁(yè)一個(gè)完善指令系統(tǒng)應(yīng)滿足以下四方面要求：1.完備性

用匯編語(yǔ)言編寫各種程序時(shí)，指令系統(tǒng)直接提供指令足夠使用，而無(wú)須用軟件來(lái)實(shí)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(yùn)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(lái)說(shuō)，一個(gè)功效更強(qiáng)、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(duì)稱性、勻齊性、指令格式和數(shù)據(jù)格式一致性。

對(duì)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(duì)待，全部指令都可使用各種尋址方式；

勻齊性是指一個(gè)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(zhǎng)度和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度有一定關(guān)系，以方便處理和存取。4.兼容性

系列機(jī)各機(jī)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(jī)種上基本軟件能夠通用。但因?yàn)椴灰粯訖C(jī)種推出時(shí)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(jí)機(jī)上運(yùn)行軟件能夠在高檔機(jī)上運(yùn)行。指令系統(tǒng)第4頁(yè)指令格式機(jī)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(yè)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(yè)操作碼指令系統(tǒng)每一條指令都有一個(gè)操作碼，它表示該指令應(yīng)進(jìn)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(lái)表示，每一個(gè)編碼代表一個(gè)指令。組成操作碼字段位數(shù)普通取決于計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)規(guī)模。比如，一個(gè)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(duì)于一個(gè)機(jī)器指令系統(tǒng)，在指令字中操作碼字段和地址碼字段長(zhǎng)度通常是固定。在單片機(jī)中，因?yàn)橹噶钭州^短，為了充分利用指令字長(zhǎng)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(zhǎng)來(lái)表示越來(lái)越多操作種類，并在越來(lái)越大存放空間中尋址。指令系統(tǒng)第7頁(yè)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(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。

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(chǔ)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(yè)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(yè)

（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(yè)（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(diǎn)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(yùn)算器中通用存放器地址。指令系統(tǒng)第11頁(yè)（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(gè)地址碼字段分別指明參加操作兩個(gè)數(shù)在內(nèi)存中或運(yùn)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(yè)（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(gè)操作數(shù)，如求反指令NOT；二是即使需要兩個(gè)操作數(shù)，但指令以運(yùn)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(yè)

（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(gè)操作數(shù)位于累加器AC中。如十進(jìn)制修正指令DAA。指令系統(tǒng)第14頁(yè)指令字長(zhǎng)度指令字長(zhǎng)度：一個(gè)指令字中包含二進(jìn)制代碼位數(shù)。有等長(zhǎng)和變長(zhǎng)兩種。等長(zhǎng)指令處理結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在對(duì)于操作碼字段位數(shù)可變情況下，利用地址碼個(gè)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(jī)器字長(zhǎng)：計(jì)算機(jī)能直接處理二進(jìn)制數(shù)據(jù)位數(shù)，它決定了計(jì)算機(jī)運(yùn)算精度。指令系統(tǒng)第15頁(yè)其中:L為指令字長(zhǎng)度，N為機(jī)器字長(zhǎng)度指令系統(tǒng)第16頁(yè)使用多字長(zhǎng)指令，目標(biāo)在于提供足夠地址位來(lái)處理訪問(wèn)內(nèi)存任何單元尋址問(wèn)題。其主要缺點(diǎn)是必須兩次或?qū)掖卧L問(wèn)內(nèi)存以取出一整條指令，降低了CPU運(yùn)算速度，又占用了更多存放空間。等長(zhǎng)指令字結(jié)構(gòu):各種指令字長(zhǎng)度是相等。這種指令字結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且指令字長(zhǎng)度是不變。變長(zhǎng)指令字結(jié)構(gòu):各種指令字長(zhǎng)度隨指令功效而異。結(jié)構(gòu)靈活，能充分利用指令長(zhǎng)度，但指令控制較復(fù)雜。指令系統(tǒng)第17頁(yè)指令助記符因?yàn)橛布荒茏R(shí)別1和0，所以采取二進(jìn)制操作碼是必要，不過(guò)我們用二進(jìn)制來(lái)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(gè)或4個(gè)英文縮寫字母來(lái)表示。這種縮寫碼叫做指令助記符。指令系統(tǒng)第18頁(yè)經(jīng)典指令助記符典型指令

指令助記符

二進(jìn)制操作碼

加法

ADD001減法

SUB010傳送

MOV011跳轉(zhuǎn)

JMP100轉(zhuǎn)子

JSR101存儲(chǔ)

STR110讀數(shù)

LDA111指令系統(tǒng)第19頁(yè)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(jìn)制。因?yàn)橹噶钪浄嵝蚜嗣織l指令意義，所以比較輕易記憶，書寫起來(lái)比較方便，閱讀程序輕易了解。

需要注意是，在不一樣計(jì)算機(jī)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(duì)應(yīng)二進(jìn)制碼。這種轉(zhuǎn)換借助匯編程序能夠自動(dòng)完成，匯編程序相當(dāng)于一個(gè)“翻譯”。指令系統(tǒng)第20頁(yè)指令擴(kuò)展技術(shù)

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

例：設(shè)某機(jī)指令長(zhǎng)度為16位，操作碼字段為4位，有三個(gè)4位地址碼字段，其格式為：

OPA1A2A3指令系統(tǒng)第22頁(yè)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(gè)地址有可能不能直接用來(lái)訪問(wèn)內(nèi)存。形式地址經(jīng)過(guò)某種運(yùn)算而得到能夠直接訪問(wèn)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(yè)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(diǎn)是指令執(zhí)行時(shí)間很短，不需要訪問(wèn)內(nèi)存取數(shù)。比如：?jiǎn)蔚刂芬莆恢噶罡袷綖?/p>

OP(移位)

F

D這里D不是地址，而是一個(gè)操作數(shù)。F為標(biāo)志位，當(dāng)F＝1，操作數(shù)進(jìn)行右移；當(dāng)F＝0時(shí)，操作數(shù)進(jìn)行左移。指令系統(tǒng)第24頁(yè)（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(yè)(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(gè)通用存放器編號(hào)，這個(gè)指定存放器中存放著操作數(shù)。指令系統(tǒng)第26頁(yè)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(jiǎn)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(biāo)志位。間接尋址方式是早期計(jì)算機(jī)中經(jīng)常采取方式，但因?yàn)閮纱卧L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(yè)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(diǎn)，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(hào)，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(yè)尋址技術(shù)（6）變址尋址S=（A+(Rx)）但使用變址尋址方式目標(biāo)不在于擴(kuò)大尋址空間，而在于實(shí)現(xiàn)程序塊規(guī)律性改變。指令系統(tǒng)第29頁(yè)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(diǎn)是能夠擴(kuò)大尋址能力。同形式地址相比，基址存放器位數(shù)能夠設(shè)置得很長(zhǎng)，從而能夠在較大存放空間中尋址。指令系統(tǒng)第30頁(yè)尋址技術(shù)（8）相對(duì)尋址EA=（PC）+D相對(duì)尋址是基址尋址一個(gè)變通，由程序計(jì)數(shù)器PC提供基準(zhǔn)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(duì)位置。指令系統(tǒng)第31頁(yè)[例]一個(gè)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(biāo)志位，X為尋址模式字段，D位偏移量字段。經(jīng)過(guò)I，X，D組合，可組成下表所表示尋址方式。請(qǐng)寫出六種尋址方式名稱。指令系統(tǒng)第32頁(yè)[解]：⑴直接尋址⑵相對(duì)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(yè)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(lái)實(shí)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(yè)2.算術(shù)運(yùn)算指令這類指令包含二進(jìn)制訂點(diǎn)加、減、乘、除指令，浮點(diǎn)加、減、乘、除指令，求反、求補(bǔ)指令，算術(shù)移位指令，算術(shù)比較指令，十進(jìn)制加、減運(yùn)算指令等。這類指令主要用于定點(diǎn)或浮點(diǎn)算術(shù)運(yùn)算，大型機(jī)中有向量運(yùn)算指令，直接對(duì)整個(gè)向量或矩陣進(jìn)行求和、求積運(yùn)算。3.邏輯運(yùn)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(wú)符號(hào)數(shù)位操作、代碼轉(zhuǎn)換、判斷及運(yùn)算。移位指令用來(lái)對(duì)存放器內(nèi)容實(shí)現(xiàn)左移、右移或循環(huán)移位。指令系統(tǒng)第35頁(yè)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(shí)，有時(shí)機(jī)器執(zhí)行到某條指令時(shí)，出現(xiàn)了幾個(gè)不一樣結(jié)果，這時(shí)機(jī)器必須執(zhí)行一條轉(zhuǎn)移指令，依據(jù)不一樣結(jié)果進(jìn)行轉(zhuǎn)移，從而改變程序原來(lái)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(méi)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(duì)尋址方式來(lái)確定。5.輸入輸出指令輸入輸出指令主要用來(lái)開啟外圍設(shè)備，檢驗(yàn)測(cè)試外圍設(shè)備工作狀態(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)備之間信息傳送。指令系