計算機組成第5章

1計算機組成原理教學課件王誠教授清華大學計算機系2009年10月第5章計算機系統(tǒng)概述（計算機組成原理課程若能和匯編語言程序設計結合起來，效果會更佳）

5.1指令格式和指令系統(tǒng)概述

5.2基本尋址方式概述

5.3指令系統(tǒng)舉例

5.4計算機的匯編語言程序設計

3數(shù)據(jù)運算部件計算機控制部件數(shù)據(jù)存儲部件接口線路數(shù)據(jù)輸入設備接口線路結果輸出設備數(shù)據(jù)總線地址總線控制總線計算機主機

計算機外圍設備計算機的CPU計算機硬件系統(tǒng)的5個功能部件DBABCB4匯編語言層操作系統(tǒng)層指令系統(tǒng)層微體系結構層數(shù)字邏輯層高級語言層應用層

計算機系統(tǒng)的層次結構

可以從6個層次分析和看待計算機系統(tǒng)的基本組成。指令系統(tǒng)層處在硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)之間，是硬、軟件之間的接口部分，對兩部分都有重要影響。硬件系統(tǒng)用于實現(xiàn)每條指令的功能，解決指令之間的連接關系；軟件由按一定規(guī)則組織起來的許多條指令組成，完成一定的數(shù)據(jù)運算或者事務處理功能。

指令系統(tǒng)優(yōu)劣是一個計算機系統(tǒng)是否成功的關鍵因素。微體系結構層軟件系統(tǒng)硬件系統(tǒng)指令系統(tǒng)在計算機中的地位指令系統(tǒng)（InstructionSet）是指一臺計算機全部指令的集合，也稱指令集。它反映了該計算機的全部功能，機器類型不同，其指令系統(tǒng)也不同，因而功能也不同。指令系統(tǒng)的設置和機器的硬件結構密切相關，一臺機器要有較好的性能，必須設計功能齊全、通用性強、指令豐富的指令系統(tǒng)，這就需要復雜的硬件結構來支持。6

計算機系統(tǒng)由硬件和軟件兩大部分組成。硬件指由中央處理器、存儲器以及外圍設備等組成的實際裝置。軟件是為了使用計算機而編寫的各種系統(tǒng)的和用戶的程序，程序由一個序列的計算機指令組成。

指令是計算機運行的最小的功能單元，是指揮計算機硬件運行的命令，是由多個二進制位組成的位串，是計算機硬件可以直接識別和執(zhí)行的一個信息體。一臺計算機提供的全部指令構成該計算機的指令系統(tǒng)。指令用于程序設計人員告知計算機執(zhí)行一個最基本運算、處理功能，多條指令可以組成一個程序，完成一項預期的任務。1、指令概述、功能和設計要求

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具體一點說，可以把設計要求歸納為如下4點：完備性:指令齊全,編程方便

規(guī)整性:格式與運算規(guī)則統(tǒng)一高效性:占內(nèi)存少,運行省時

兼容性:同一系列機軟件兼容

計算機硬件只能直接識別和使用二進制編碼的信息，為此指令都是二進制的位串，很難有其他選擇。而程序員卻很難用它(機器語言)設計程序，這可通過計算機廠家提供匯編語言來解決，或者提供直接針對解題算法的高級語言。對設計指令系統(tǒng)的要求

對指令系統(tǒng)的要求很嚴格，既要支持程序設計人員用它設計各種程序，越簡單、方便越好，又要容易在計算機中用硬件實現(xiàn)這些指令的處理功能，越節(jié)省、高效越好，但這兩個方面的要求經(jīng)常是有矛盾的。83個層次的程序設計語言

機器語言是計算機硬件能直接識別和運行的指令的集合,是二進制碼組成的指令，用機器語言設計程序基本不可行。

匯編語言是對計算機機器語言進行符號化處理的結果,再增加一些為方便程序設計而實現(xiàn)的擴展功能。在匯編語言中，可以用英文單詞或其縮寫替代二進制的指令代碼，更容易記憶和理解；還可以選用英文單詞來表示程序中的數(shù)據(jù)(常量、變量和語句標號)，使程序員不必親自為這些數(shù)據(jù)分配存儲單元，而是留給匯編程序去處理,達到基本可用標準。若在此基礎上，能夠在支持程序的不同結構特性（如循環(huán)和重復執(zhí)行結構，子程序所用啞變元替換為真實參數(shù)）等方面提供必要的支持，使匯編語言基本達到可以實用的程度。

匯編程序要經(jīng)過匯編器翻譯成機器語言后方可運行9

高級語言又稱算法語言，它的實現(xiàn)思路，不再是過分地“靠攏”計算機硬件的指令系統(tǒng)，而是著重面向解決實際問題所用的算法，瞄準的是如何使程序設計人員能夠方便地寫出處理問題和解題過程的程序，力爭使程序設計工作的效率更高。目前常用的高級語言有BASIC、PASCAL、C、C++、JAVA、PROLOG、VHDL等上百種。用這些語言設計出來的程序，通常需要經(jīng)過一個叫做編譯程序的軟件先翻譯成機器語言程序，才能在計算機的硬件系統(tǒng)上予以執(zhí)行，個別的選用解釋執(zhí)行方案。高級語言的程序通用性強，在不同型號的計算機之間更容易移植。3個層次的程序設計語言10確定指令系統(tǒng)的兩種思路

從降低硬件系統(tǒng)構成的復雜程度、提高指令執(zhí)行的速度和并行性考慮，確定指令系統(tǒng)時有兩種思路：RISC（ReducedInstructionSetComputer）通常稱為精簡指令系統(tǒng)的計算機。提供數(shù)目較少、格式與功能簡單、運行高效的指令，追求的是計算機控制器實現(xiàn)簡單，運行高速，更容易在單塊超大規(guī)模集成電路的芯片內(nèi)制做出來。指令并行性好。CISC（ComplexInstructionSetComputer）通常稱為復雜指令系統(tǒng)的計算機，是相對于RISC一詞提出來的。其特點是：指令條數(shù)多，格式多樣，尋址方式復雜，每條指令的功能強，優(yōu)點是匯編程序設計容易些，但計算機控制器的實現(xiàn)困難多，很多指令被使用的機會比較少。指令并行度差。復雜指令系統(tǒng)（CISC）

隨著計算機邏輯元件的迅猛發(fā)展，特別是超大規(guī)模集成電路的發(fā)展，機器的造價、體積、功耗及可靠性等方面都有了長足的發(fā)展。也隨著計算機應用領域日益廣泛和水平的提高，對指令系統(tǒng)功能的要求越來越高，使指令的種類逐漸發(fā)展到幾百種，尋址方式也更加靈活多樣，具備這種指令系統(tǒng)的計算機稱為復雜指令系統(tǒng)的計算機CISC（ComplexInstructionSetComputer）。

指令系統(tǒng)變得越來越復雜有以下幾點原因：①使目標程序得到優(yōu)化。②給高級語言提供更好的支持。③提供對操作系統(tǒng)的支持。精簡指令系統(tǒng)（RISC）對CISC各種指令在程序中使用頻率的測試表明，只有算術邏輯運算、數(shù)據(jù)傳送、轉移、子程序調(diào)用等約占指令系統(tǒng)20％的幾十條基本指令才是常使用的，它們在程序中出現(xiàn)的概率達到80％左右，而占80％的指令在程序出現(xiàn)的概率只有20％左右，造成了硬件資源的大量浪費。在這種情況下，精簡指令系統(tǒng)計算機RISC(ReducedInstructionSetComputer)應運而生。

RISC的主要特點：

1．選取使用頻率高的一些簡單指令以及一些很有用但又不復雜的指令，讓復雜指令的功能由頻度高的簡單指令的組合來實現(xiàn)。

2．指令長度固定，指令格式種類少，尋址方式種類少。

3．只有取數(shù)/存數(shù)（LOAD／STORE）指令訪問存儲器，其余指令的操作都在寄存器之間進行。4．采用流水線技術，大部分指令在一個機器周期內(nèi)完成。采用超標量和超流水線技術，可使每條指令的平均執(zhí)行時間小于一個時鐘周期。

5．控制器采用組合邏輯控制，不用微程序控制。

6．CPU中有較多的通用寄存器，使指令操作數(shù)據(jù)在寄存器之間進行。

7．采用優(yōu)化的編譯程序，以減少程序執(zhí)行時間。16

指令是用戶使用計算機和計算機本身運行的最小的功能單元：

①用于設計程序,②指令是由多個二進制位組成的數(shù)串,③

計算機硬件可直接識別和執(zhí)行。通常情況下一臺計算機需要提供哪些指令呢？計算機用于計算和處理數(shù)據(jù)，為此，要在計算機硬件系統(tǒng)中設置5種類型的部件：運算器部件、控制器部件、存儲器部件、輸入設備、輸出設備，各自承擔數(shù)據(jù)運算、系統(tǒng)指揮控制、保存當前程序和數(shù)據(jù)、執(zhí)行輸入和執(zhí)行輸出的功能。需要在計算機中設置為使用和控制這幾個部件運行的相應指令。也可換一個角度說，寫程序要使用哪些指令呢？2.計算機中需要配備的指令17指令的功能和分類

指令用于設計程序，指令系統(tǒng)構成最低級別的程序設計語言，程序設計人員通過指令直接指揮計算機的硬件完成某一個基本的運算、處理功能。18

可以按照指令執(zhí)行的功能對它們們進行分類。

算術與邏輯運算指令加、減、乘、除、變符號等算術運算與、或、非、異或等邏輯運算移位操作指令算術移位（一般只右移）、邏輯移位、循環(huán)移位

數(shù)據(jù)傳送指令通用寄存器之間傳送通用寄存器與主存儲器存儲單元之間傳送主存儲器不同存儲單元之間傳送輸入輸出指令通用寄存器與輸入輸出設備（接口）之間傳送19轉移指令變動程序中指令執(zhí)行次序的指令，分為無條件轉移指令和條件轉移指令子程序調(diào)用與返回指令子程序調(diào)用與返回指令要配合使用，子程序的最后一條指令一定是返回指令，執(zhí)行結束后返回主程序斷點堆棧操作指令堆棧（stack）是由若干個連續(xù)存儲單元組成的先進后出的存儲區(qū)，有壓入（即進棧）和彈出（即退棧）操作其他指令置條件碼指令、開中斷指令、關中斷指令停機指令、空操作指令、特權指令操作碼(opcode)操作數(shù)(operand)人們習慣于將機器語言中的每一條語句稱為指令。在計算機內(nèi)部，指令由一個位串來表示。這個位串由若干個字段組成，就形成了指令的格式。指令至少應指出兩方面的信息：CPU將要執(zhí)行的操作；操作中將使用的操作數(shù)或數(shù)據(jù)以及下條指令的獲取方式。操作數(shù)包括輸入的數(shù)據(jù)或參數(shù)或操作的結果。指令由兩部分組成：4.2.2機器語言指令的一般格式操作類型1.

數(shù)據(jù)傳送源目的寄存器寄存器寄存器寄存器存儲器存儲器存儲器存儲器置“1”，清“0”2.算術邏輯操作加、減、乘、除、增1、減1、求補、浮點運算、十進制運算與、或、非、異或、位操作、位測試、位清除、位求反如8086MOVESTORELOADMOVEPUSHPOP例如MOVEMOVEADDSUBMULDIVINCDECCMPNEGAAAAASAAMAADANDORNOTXORTEST3.移位操作算術移位4.轉移(1)無條件轉移JMP(2)條件轉移結果為零轉（Z=1）

JZ結果溢出轉（O=1）JO結果有進位轉（C=1）JC跳過一條指令SKP循環(huán)移位（帶進位和不帶進位）如300…305306307SKPDZD=0則跳邏輯移位完成觸發(fā)器(3)調(diào)用和返回CALLSUB1.........CALLSUB2…...CALLSUB2…RETURNRETURN......主程序地址200021002101子程序SUB1240025002501256025612700主存空間分配程序執(zhí)行流程子程序SUB2INAX,nOUTDX,ALOUTn,AXOUTDX,AX(4)陷阱（Trap）與陷阱指令意外事故的中斷

設置供用戶使用的陷阱指令如8086INTTYPE軟中斷提供給用戶使用的陷阱指令，完成系統(tǒng)調(diào)用5.輸入輸出

一般不提供給用戶直接使用

在出現(xiàn)事故時，由CPU自動產(chǎn)生并執(zhí)行（隱指令）INAL,DXINAX,DX入端口地址CPU的寄存器出CPU的寄存器端口地址如如INAL,nOUTn,AL2007.7.2計算機組成與結構25指令系統(tǒng)概述計算機能解題是由于機器本身存在一種語言，它既能理解人得意圖，又能被機器自身識別。機器語言是由一條條語句構成的，每一條語句又能準確表達某種語義。例如它可以命令機器做某種操作，指出參與操作的數(shù)或其它信息在什么地方等等。計算機就是連續(xù)執(zhí)行每一條機器指令而實現(xiàn)全自動工作的。人們習慣把每一條機器語言的語句叫機器指令，而又將全部機器指令的集合叫做機器的指令系統(tǒng)。因此機器的指令系統(tǒng)集中反映了機器的功能，是計算機系統(tǒng)中軟件與硬件的分界面，如下圖所示。就目前來看，無論多么復雜、功能多么強大的軟件，凡是能夠在機器上直接運行的目標程序都是由一系列機器指令組成的。2007.7.2計算機組成與結構262007.7.2計算機組成與結構27對于軟件設計人員而言，則需使用這些指令編制各種各樣的系統(tǒng)軟件和應用軟件，用這些軟件來填補硬件的指令與人們習慣的使用方式之間的語義差距。因此，可以說，指令系統(tǒng)是軟件設計人員與硬件設計人員之間的一個主要分界面，也是他們之間互相溝通的一座橋梁。一方面是程序員所能看到的機器的主要屬性，另一方面表明計算機具有哪些最基本的硬件功能，也就是說指令系統(tǒng)既為軟件設計者提供最低層的程序設計語言，也為硬件設計者提供了最基本的設計依據(jù)。在計算機系統(tǒng)的設計過程中，指令系統(tǒng)的設計是非常關鍵的，不但直接關系著對程序設計的支持程度，也關系著該計算機的硬件結構，必須由軟件設計人員和硬件設計人員共同來完成。2007.7.2計算機組成與結構285.2指令格式

計算機的指令格式與機器的字長、存儲器的容量及指令的功能都有很大的關系。從便于程序設計、增加基本操作并行性、提高指令功能的角度來看，指令中應包含多種信息。但在有些指令中，由于部分信息可能無用，這將浪費指令所占的存儲空間，增加了訪存次數(shù)，從而影響速度。因此，如何合理、科學地設計指令格式，使指令既能給出足夠的信息，又使其長度盡可能地與機器字長相匹配，以節(jié)省存儲空間，縮短取指時間，提高機器的性能，這是指令格式設計中的一個重要問題。2007.7.2計算機組成與結構29

計算機是通過執(zhí)行指令來處理各種數(shù)據(jù)的。為了指出數(shù)據(jù)的來源、操作結果的去向及所執(zhí)行的操作，一條指令必須包含下列信息：（1）操作碼。它具體說明了操作的性質及功能。一臺計算機可能有幾十條至幾百條指令，每一條指令都有一個相應的操作碼，計算機通過識別該操作碼來完成不同的操作。（2）操作數(shù)的地址。CPU通過該地址就可以取得所需的操作數(shù)。（3）操作結構的存儲地址。把對操作數(shù)的處理所產(chǎn)生的結果保存到該地址中，一邊再次使用。2007.7.2計算機組成與結構304）執(zhí)行程序時，大多數(shù)指令按順序依次從主存中取出執(zhí)行，只有在遇到轉移指令時，程序的執(zhí)行順序才會改變。為了壓縮指令的長度，可以用一個程序計數(shù)器（ProgramCounter，PC）存放指令地址。每執(zhí)行一條指令，PC的指令地址就自動加1（設該指令只占用一個主存單元），指出將要執(zhí)行的下一條指令地址。當遇到執(zhí)行轉移指令時，則用轉移地址修改PC的內(nèi)容。由于使用了PC，指令中就不必明顯地給出下一條將要執(zhí)行指令的地址。2007.7.2計算機組成與結構31從上述分析可知，一條指令實際上包括兩種信息即操作碼和地址碼。操作碼（OperationCode，OP）用來表示該指令所需要完成的操作，其長度取決于指令系統(tǒng)中的指令條數(shù)。地址碼用來描述該指令的操作對象，它或者直接給出操作數(shù)，或者指出操作數(shù)的存儲器地址或寄存器地址（即寄存器名）。操作碼字段地址碼字段其中操作碼字段指明了指令的操作性質及功能，地址碼則給出了操作數(shù)或操作數(shù)的地址。一條指令就是機器語言的一個語句，它是一組有意義的二進制代碼，指令的基本格式如下：2007.7.2計算機組成與結構32操作碼

操作碼部分指出了計算機要執(zhí)行什么性質的操作，如進行加法、減法、取數(shù)、存數(shù)等。不同的指令，其操作碼不同，用不同的編碼來表示，每一個編碼表示一條指令。計算機要為每條指令分配一個確定的操作碼。例如：操作碼0001可以規(guī)定為表示加法操作；操作碼0010可以規(guī)定為表示加法操作等等。每個操作碼代表的功能均由CPU上相應的電路來實現(xiàn)，因此機器就能執(zhí)行操作碼所要表示的操作。操作碼的長度n（即操作碼的位數(shù)）決定了指令系統(tǒng)中完成不同操作的指令條數(shù)，如某機器的操作碼長度為n，則不同指令的條數(shù)最多為2n。n越大，則指令條數(shù)越多，功能越強，指令系統(tǒng)的規(guī)模也就越大。固定長度操作碼：固定長度操作碼是指操作碼所占的二進制位數(shù)固定不變，而且集中放在指令字的一個字段中。這種格式有利于簡化硬件設計，減少指令譯碼時間，廣泛用于字長較長的大、中型計算機和超級小型計算機中。例如IBM370和VAX—11系列機中，操作碼的長度都是8位，可表示256條指令?？勺冮L度操作碼：可變長度操作碼是操作碼擴展技術的應用，即操作碼的長度是可變的，且分散地放在指令的不同字段中。這種格式有利于壓縮程序中操作碼的平均長度，廣泛用于字長較短的小型機和微型機上。如PDP—11，INTEL8086／80386等，其操作碼的長度均是可變的。2007.7.2計算機組成與結構35例1：設某臺計算機有100條指令（1）固定長度編碼（2）10條使用概率90%，其余90條指令使用概率10，%，試采用不等長編碼圖2是一種擴展指令操作碼設計方法。這是一個16位長的指令，包括4位基本操作碼字段和三個4位長的地址字段。4位基本操作碼，若全部用于三地址指令，則有16條指令。圖2所示的是三地址指令15條，二地址指令14條，一地址指令31條，零地址指令16條，共76條指令。顯然，4位基本操作碼是不夠的，必須向地址碼字段擴展操作碼的長度。其擴展方法及步驟如下：

0000XXXXYYYYZZZZ0001XXXXYYYYZZZZ

1110XXXXYYYYZZZZ……15條三地址指令

11110000YYYYZZZZ11110001YYYYZZZZ

11111101YYYYZZZZ……14條二地址指令

111111100000ZZZZ111111100001ZZZZ

111111111110ZZZZ……31條一地址指令11111111111100001111111111110001

1111111111111111……16條零地址指令圖2一種擴展操作碼安排示意圖2007.7.2計算機組成與結構38例3：若某計算機要求有如下形式的指令：三地址指令4條，單地址指令254條，零地址指令16條，設指令字長12位，每個地址碼3位，試用擴展操作碼為其編碼。393、指令表示（應提供的信息）

指令中的內(nèi)容，包括指令操作碼（指出指令完成的運算處理功能和數(shù)據(jù)類型）和操作數(shù)或指令的地址（指明用到的數(shù)據(jù)或地址）兩部分。例如：

算邏輯運算中的運算功能，數(shù)據(jù)來源或結果去向數(shù)據(jù)傳送指令中的數(shù)據(jù)原來位置和新的存儲位置

輸入輸出指令中用到的設備和數(shù)據(jù)來、去的位置

轉移指令的轉移類別、轉移條件和轉移地址等

每一條指令必須指明它需要完成的功能，通常用幾位指令操作碼表示；還需要指明用到的數(shù)據(jù)、地址或設備，通常在地址字段給出，可能是:(1)

寄存器編號，(2)

設備端口地址，

(3)

存儲器的單元地址

(4)數(shù)值等幾種信息。40指令格式與指令字長

指令字長是指組成一條指令的二進制數(shù)的位數(shù)，例如8bits、16bits、32bits、64bits等，指令格式與指令字長密切相關，指令字越長可以給出的信息越多。一個指令字通常由指令操作碼和操作數(shù)地址兩部分組成，如何把一個指令字劃分成多個字段并分配各字段所表示的內(nèi)容大有學問。首先簡單地看如下兩個計算機系統(tǒng)的指令格式，以后還會更仔細進行講解。oprsrtrdsafuncoprsrtimmediateoptargetMIPS指令格式

(32位)drsrioport/offsetImmediate/address/offsetTEC-2008指令格式

(16位)op41指令格式指令字：完整的一條指令的二進制表示指令字長：指令字中二進制代碼的位數(shù)機器字長：計算機能直接處理的二進制數(shù)據(jù)的位數(shù)指令字長（字節(jié)倍數(shù)）＝0.5、1、2…個機器字長定長指令字結構vs.變長指令字結構指令格式：指令字中操作碼和操作數(shù)地址的二進制位的分配方案操作碼：指明本條指令的操作功能，每條指令有一個確定的操作碼操作數(shù)地址：說明操作數(shù)存放的地址，有時是操作數(shù)本身操作碼

操作數(shù)地址

42操作碼組織與編碼定長的操作碼的組織方案在指令字最高位部分分配固定若干位用于表示操作碼，有利于簡化計算機硬件設計，提高指令譯碼和識別速度

例如：IBM360機、

TEC-2008的16位機變長的操作碼的組織方案在指令字最高位部分用一固定長度的字段來表示基本操作碼，而對于部分操作數(shù)地址位數(shù)可以少的指令，則把另外多位輔助操作碼擴充到該操作數(shù)地址字段，即操作碼位數(shù)可變。這種方法在不增加指令字長的情況下，可表示更多的指令,但增加了譯碼和分析難度，要求更多的硬件支持

例如：PDP-11計算機、TEC-2000的8位機43

假設某機器的指令長度為16位，包括4位基本操作碼和三個4位地址碼段。

15…1211……87……43……0OPA1A2A3

4位基本操作碼可表示16個狀態(tài)，如用4位操作碼，則能表示16條三地址指令，若用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，若16位全用作操作碼，則可表示65536條零地址指令指令操作碼的擴展技術44

若需要在16位字長的指令中能夠同時支持三地址、二地址、一地址指令各15條，零地址指令16條，則可以選用如下方案的變長操作碼實現(xiàn)：16條零地址指令的操作碼的高12位每位均用1，低4位隨意,即:1111111111110000~111111111111111115條三地址指令的操作碼為：0000~1110

15條二地址指令的操作碼的高4位選用1111，低4位用0000~1110,即得到:11110000~11111110

15條一地址指令的操作碼的高8位選用11111111,低4位用0000~1110,即:111111110000~111111111110指令操作碼的擴展技術45

前面介紹的操作碼擴展方案中，每次擴展4位并僅保留了一個編碼用于接下來的擴展過程，當每次擴展的位數(shù)和保留的位數(shù)變化時，后面可擴展的指令條數(shù)就可以變化。例如在16位字中的指令字中，可以選用如下方案支持三地址指令、二地址指令、一地址指令和零地址指令14、30、31、16條：16條零地址為：1111111111110000~1111111111111111

15條三地址為：0000~1101(保留1110、1111兩個碼)30條二地址為：11100000~11111101（保留2個碼）31條一地址為：111111100000~111111111110(保留1個碼)指令操作碼的擴展技術46指令操作數(shù)個數(shù)

無操作數(shù)指令（零地址指令）單操作數(shù)指令（一地址指令）雙操作數(shù)指令（二地址指令）三操作數(shù)指令（二地址指令）多操作數(shù)指令（多地址指令）指令操作數(shù)來源和去向

CPU內(nèi)部的通用寄存器輸入輸出設備（接口）的一個寄存器主存儲器的一個存儲單元操作數(shù)個數(shù)與來源OPA1A2OPA1OPOPA1A2A3OPA1A2

更多47操作數(shù)類型與數(shù)據(jù)存儲方式(1)操作數(shù)類型地址數(shù)字字符邏輯數(shù)無符號整數(shù)定點數(shù)、浮點數(shù)、二_十進制數(shù)ASCII邏輯運算，bit(2)數(shù)據(jù)在存儲器中的存放方式字地址為低字節(jié)地址Intel字地址為高字節(jié)地址Motorola37621540字地址04低字節(jié)04512673字地址04低字節(jié)48存儲器中的數(shù)據(jù)存放(存儲字長為32位)地址(十進制)

04812162024283236雙字雙字（地址32）雙字雙字（地址24）半字（地址20）半字（地址22）半字（地址16）半字（地址18）字節(jié)(地址8)字節(jié)(地址9)字節(jié)(地址10)字節(jié)(地址11)字（地址4）字（地址0）字節(jié)(地址14)

字節(jié)(地址15)字節(jié)(地址13)字節(jié)(地址12)邊界對準

√√49

尋址方式（又稱編址方式）指的是確定本條指令的操作數(shù)地址及下一條要執(zhí)行的指令地址的方法。不同的計算機系統(tǒng),使用數(shù)目和功能不同的尋址方式，其實現(xiàn)的復雜程度和運行性能各不相同。有的計算機尋址方式較少，而有些計算機采用多種尋址方式。通常需要在指令中為每一個操作數(shù)專設一個地址字段，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)（或指令）的地址被稱為形式地址，使用形式地址信息并按一定規(guī)則計算出來或讀操作得到的一個數(shù)值才是數(shù)據(jù)（或指令）的實際地址(有效地址、物理地址)。在指令的操作數(shù)地址字段，可能要指出：

①運算器中的累加器的編號或專用寄存器名稱（編號）

②輸入/輸出指令中用到的I/O設備的入出端口地址

③內(nèi)存儲器的一個存儲單元（或一I/O設備）的地址有多種基本尋址方式和某些復合尋址方式

,簡介如下。4、尋址方式50(1)立即數(shù)尋址

所需的一個操作數(shù)在指令的地址字段部分直接給出。Num即為操作數(shù)的值

適用于操作數(shù)固定的情況，取指同時取得操作數(shù)，指令執(zhí)行階段不必到存儲器中取操作數(shù)，提高了指令執(zhí)行速度；當該立即數(shù)的值較小(占用位數(shù)少)時，可在指令字第一個字中直接給出，否則需要用指令的第二個字提供。例：Num＝1234H，指令的一個操作數(shù)就是1234H這里的H表示1234是16進制的值指令的第2個字51

在指令的地址碼字段，直接給出所需的操作數(shù)(或指令)在存儲器中的地址。Addr為操作數(shù)在存儲器中的地址，

或轉移指令等用到的指令地址。(2)直接尋址

例：Addr=5718H

，可能是下一條指令的地址或一個操作數(shù)的地址，若[5718H]=3，則用5718H作地址，從內(nèi)存儲器單元中讀出的操作數(shù)就是3。內(nèi)存儲器

操作數(shù)52

計算機的CPU中設置有一定數(shù)量的通用寄存器，用于存放操作數(shù)、操作數(shù)地址或中間結果。假如指令地址碼字段給出某一通用寄存器的編號(地址)，且所需的操作數(shù)就在這一寄存器中，這就是寄存器尋址方式；若該寄存器中存放的是操作數(shù)在內(nèi)存儲器中所在單元的地址，這就是寄存器間接尋址方式?？赏ㄟ^指令的操作碼或另設一個字段，來區(qū)分這兩種不同的尋址方式。(3)寄存器尋址、寄存器間接尋址例：RegNo.=2，使用2#累加器，此時若5#累加器中的內(nèi)容為7，可記為(R2)=7，對寄存器尋址，操作數(shù)就是寄存器中的數(shù)值7對寄存器間接尋址，從內(nèi)存7#單元讀出來的數(shù)才是操作數(shù)53

操作數(shù)的地址由指定的變址寄存器（由Reg指定）的內(nèi)容和指令中的變址偏移量（Disp）相加得到。(4)變址尋址

操作數(shù)存儲器變址寄存器加法器例：Disp=18H，Reg=5，(R5)=5700H

則操作數(shù)地址=5718H

變址寄存器內(nèi)容變化，變址偏移量不變，便于讀寫數(shù)組中的元素，是計算機中常用的一種尋址方式。54

指令的地址由程序計數(shù)器PC的內(nèi)容（即當前執(zhí)行指令的地址）和指令的相對尋址偏移量相加得到。(5)相對尋址

例：Disp=48H (PC)=5600H

則實際地址=5648H（1）主要用于轉移指令，對浮動程序很有用。（2）偏移量可正可負，通常用補碼表示。PC55

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)（或指令）地址的地址，這被稱為間接尋址方式，多一次讀內(nèi)存儲器的操作。(6)間接尋址

存儲器操作數(shù)Addr1

指令中的Addr可以用其他尋址方式給出，例如變址尋址，這就成為變址尋址與間接尋址的復合尋址方式56

在計算機中設置一個專用的基址寄存器，操作數(shù)（或指令）的地址通過基址寄存器的內(nèi)容和指令中的地址碼相加得到。(7)基址尋址

基址寄存器加法器存儲器操作數(shù)例：Disp=18H，[BS]=5700H

則操作數(shù)地址=5718H

主要用于為程序或數(shù)據(jù)分配存儲區(qū)，對多道程序或浮動程序很有用，解決了程序在存儲器中的定位和擴大尋址空間等問題。57

堆棧是內(nèi)存儲器中一塊按“后進先出”原則進行讀寫的存儲區(qū)，并通過一個專用的寄存器(稱為堆棧指針SP)給出堆棧的棧頂?shù)刂?，?zhí)行讀寫堆棧操作通?？傇跅ｍ斶M行，故不必在指令中給出堆棧地址，而且在讀寫操作的前后伴隨有自動修改SP內(nèi)容的動作，確保使SP總是指向堆棧的棧頂。例如，按字尋址時：

入棧操作:

SP-1SP和AR，即SP的內(nèi)容減1存回SP,并送入內(nèi)存地址寄存器，接下來才可以把數(shù)據(jù)寫到堆棧中，這是因為需要把數(shù)據(jù)寫到新開辟出來的棧頂單元中。

出棧操作:SPAR，完成一次讀堆棧操作后，還要執(zhí)行一次SP+1SP的操作，用于修改SP內(nèi)容，這是因為數(shù)據(jù)讀出后原來它的下一個相鄰單元變成為棧頂。(8)堆棧尋址

58堆棧尋址舉例15200HACCSPX棧頂200H棧底主存151FFHACCSP15棧頂200H棧底主存X1FFHPUSHA前PUSHA后POPA前POPA后Y1FFHACCSPX棧頂200H棧底主存151FFH15200HACCSP棧頂200H棧底主存X15595、指令格式舉例OPR1R2RR格式844OPR1XBDRX格式844412OPR1R3BDRS格式844412OPBDISI格式88412OPB1D1LB2D2SS格式88412412二地址RR基址加變址尋址二地址RM三地址RM基址尋址二地址MM基址尋址基址尋址立即數(shù)

M(1)IBM360指令格式60(2)MIPS計算機系統(tǒng)MIPS是上個世紀八十年代中推出的RISC結構的計算機系統(tǒng)，獲得了很大的成功。

MIPS32是32位字長、典型RISC結構的計算機，其指令格式規(guī)范，只有３種，用到的尋址方式和指令條數(shù)少。第1種指令稱為R型指令，完成寄存器之間數(shù)據(jù)運算功能，例如，rd←rsoprt，rd←(rs<rt)，即rs的內(nèi)容比rt的內(nèi)容小則置‘1’rd，否則清0；第2種指令稱為I型指令，完成寄存器內(nèi)容和立即數(shù)之間的運算功能，例如，rt←rsopimmediate，存儲器讀寫功能，rt←memory[base+offset]，memory[base+offset]←rt，相對轉移功能，若rt=rs轉移到地址PC+offset*4；否則順序執(zhí)行，若rt<>rs轉移到地址PC+offset*4；否則順序執(zhí)行。第3種指令稱為J型指令，完成無條件跳轉的操作功能。61MIPS指令格式

所有的指令都是32位長度。有

3種指令格式，即寄存器型、立即數(shù)型和轉移型。

操作數(shù)尋址方式有寄存器尋址、變址尋址、立即數(shù)尋址3種，指令地址支持相對尋址、偽直接地址

2種方式。oprsrtrdshamtfunct

寄存器型立即數(shù)型轉移型

oprsrtaddress/immediate

optarget例如：

add$1,$2,$3R3←R1+R2例如：lw$1,$2,100R2←M[R1+100]

addi$1,$2,100R2←R1+100例如：

j8000轉移到PC[31..28]8000×462(3)TEC-2008教學計算機指令系統(tǒng)

設計目標滿足教學要求，機器字長16位，有單字和雙字指令完備性支持監(jiān)控程序和簡單匯編語言程序設計可以設計出BASIC的解釋程序支持常見的尋址方式，分為基本指令和擴展指令兩類高效性小指令集，實現(xiàn)簡單、成本低規(guī)整性指令長度基本固定，指令格式比較規(guī)整，字尋址方式兼容性后來的其它型號的教學都沿用了這套指令系統(tǒng)63有單字和雙字指令單字指令分為三個主要部分：

最高8位是操作碼，是固定長度的操作碼,最多支持256條指令。

最低8位有多種用法：給出1或2個寄存器的編號，或輸入/輸出的端口地址，或相對轉移指令的8位的偏移量。雙字指令的第二個字的內(nèi)容可能是：立即數(shù)、直接地址、變址偏移量。

操作碼

目的寄存器源寄存器

I/O端口地址

相對轉移指令的偏移量

立即數(shù)/直接地址/變址偏移量8位4位4位

TEC-2008教學機的指令格式用到的尋址方式寄存器尋址寄存器間接尋址立即數(shù)尋址直接地址尋址變址尋址相對尋址堆棧尋址IO端口地址64指令格式匯編語句操作數(shù)個數(shù)CZVS指令類型功能說明00000000DRSR00000001DRSR00000010DRSR00000011DRSR00000100DRSR00000101DRSR00000110DRSR00000111DRSR00001000DR000000001001DR000000001010DR000000001011DR000001000001OFFSET01000100OFFSET01000101OFFSET01000110OFFSET01000111OFFSETADDDR，SRSUBDR，SRANDDR，SRCMPDR，SRXORDR，SRTESTDR，SRORDR，SRMVRRDR，SRDECDRINCDRSHLDRSHRDRJRADRJRCADRJRNCADRJRZADRJRNZADR22222222111111111********·*··****·*··****·*······*********···*·······················A組指令DR←DR+SRDR←DR－SRDR←DRandSRDR－SRDR←DRxorSRDRandSRDR←DRorSRDR←SRDR←DR-1DR←DR+1DR，C←DR*2DR，C←DR/2無條件跳轉到ADRC=1時跳轉到ADRC=0時跳轉到ADRZ=1時跳轉到ADRZ=0時跳轉到ADRTEC-200816位機基本指令系統(tǒng)65TEC-200816位機基本指令系統(tǒng)指令格式匯編語句操作數(shù)個數(shù)CZVS指令類型功能說明100000000000000ADR（16位）10000001DRSR10000010I/OPORT10000011DRSR1000010000000000100001010000SR10000110I/OPORT10000111DR000010001000DR0000DATA（16位）10001100000000001000111100000000JMPAADRLDRRDR，[SR]INI/OPORTSTRR[DR]，SRPSHFPUSHSROUTI/OPORTPOPDRMVRDDR，DATAPOPFRET12120111200····································****····B組指令無條件跳到ADRDR←[SR]R0←[I/OPORT][DR]←SRFLAG入棧SR入棧[I/OPORT]←R0DR←出棧DR←DATAFLAG←出棧子程序返回1100111000000000

ADR（16位）CALAADR

1····D組調(diào)用首地址為ADR的子程序66教學計算機的實際組成和運行

教學計算機由完整的硬件(運算器,控制器,存儲器,輸入/輸出接口和PC機仿真終端)和軟件(監(jiān)控程序,PC機仿真終端程序,交叉匯編程序)兩個子系統(tǒng)組成。

教學機與PC機通過各自的串行接口相互連接在一起。教學機是主機，在本身的監(jiān)控程序控制下運行自己的機器碼程序，PC機以仿真終端方式作為教學機的輸入輸出設備，是通過運行自己的一個仿真終端軟件PCEC.com

實現(xiàn)的。為此，在系統(tǒng)加電之前，首先把連接兩臺計算機串行接口的通訊線接上，加電后在PC機上運行PCEC程序，幾次回車后就進入仿真終端狀態(tài)；教學機正確設置功能開關的狀態(tài)并加電,按RESET按鈕后再按START按鈕，PC機屏幕上將出現(xiàn)教學機版權信息和監(jiān)控命令的提示符〉，至此完成了系統(tǒng)啟動過程，接下來可以使用監(jiān)控命令運行教學計算機。67教學計算機硬件系統(tǒng)的組成計算機終端PC機微程序控制器運算器(16位)主存儲器（16位）按鍵開關指示燈串行接口接口實驗中斷實驗內(nèi)存擴展實驗電源+5V硬布線控制器68微程序控制器RESET,START按鍵

運行功能選擇開關單步，手撥，組合邏輯，8位，聯(lián)機連續(xù)，內(nèi)存，微程序，16位，脫機兩個12位的微型開關16位的手撥輸入開關串口接線座5V電源電源開關組合邏輯控制器運算器內(nèi)存儲器串口電路I8~6I5~3I2~0SSTSCISSHA口B口TEC-2000教學機69雙CPU的TEC-2008教學計算機系統(tǒng)雙CPU教學計算機系統(tǒng)控制器部件(2種類型)運算器部件串行口電路存儲器部件用VHDL描述功能,用FPGA器件實現(xiàn)的第2個CPU系統(tǒng)輔助電路地址數(shù)據(jù)ALUIRFlags節(jié)拍32位控制信號按鍵、功能開關16位數(shù)據(jù)開關36位控制信號開關5V直流電源微指令下地址這個系統(tǒng)的優(yōu)點在于修改已有設計或增加新的指令等，主要表現(xiàn)為修改ABEL或VHDL語言的程序源碼，編譯后重新下載即可，受布線影響小，教學實驗效率高70教學計算機的監(jiān)控命令教學計算機提供8個監(jiān)控命令（↙表示回車）A

[內(nèi)存地址]

↙

用于輸入?yún)R編語句并直接匯編、保存U

[內(nèi)存地址]

↙

用于從指定地址反匯編機器碼程序并顯示D

[內(nèi)存地址]

↙

用于從指定地址卸出并顯示存儲器中的內(nèi)容E

[內(nèi)存地址]

↙

用于從指定地址開始用鍵盤向內(nèi)存輸入數(shù)據(jù)R

[Reg]

↙

用于查看或修改寄存器的內(nèi)容G[內(nèi)存地址]

↙

用于運行從指定地址開始的程序（連續(xù)）T[內(nèi)存地址]

↙

用于以單條指令的方式運行程序P

[內(nèi)存地址]

↙

用于以單條指令的方式運行程序，把

CALL連同被調(diào)用的子程序當作一條指令執(zhí)行716、教學計算機的匯編語言程序設計

教學計算機可以在監(jiān)控程序控制下，以單語句方式輸入?yún)R編源程序并自動完成匯編操作，之后就能運行這個程序。也可以在作為仿真終端的PC機系統(tǒng)中先建立一個匯編源程序，再用運行在PC機上的交叉匯編程序對源程序完成匯編，當把得到的教學機的執(zhí)行帶碼傳入教學機內(nèi)存后即可啟動運行。前一種操作更簡便，但程序中只能使用直接內(nèi)存地址，后者提供一些簡單偽指令，在設計較長的匯編程序時更常用一些。經(jīng)過多年的使用與改進，教學計算機有了多個型號，但所有16位字長的系統(tǒng)都保持了很好的軟件兼容性，即使用相同的基本指令系統(tǒng)、監(jiān)控程序和對匯編程序設計的支持。72

用基本的匯編語句寫出實現(xiàn)很簡單的數(shù)據(jù)運算功能的小程序，有4個目的：

①

熟悉計算機各條指令的功能；

②

進一步體驗匯編語句的格式和使用方法；

③

學習組織一些基本匯編語句實現(xiàn)用戶所期望的運算處理功能的過程和需要解決的一些問題；④了解教學計算機能提供的功能以及使用和操作的方式。要設計匯編程序必須首先知道有哪些匯編語句可用，每個語句實現(xiàn)的功能和具體使用方法，可能用到的數(shù)據(jù)或主存地址的書寫方式；這涉及到最常用的程序流程控制，包括順序執(zhí)行,必轉或者條件轉移執(zhí)行，循環(huán)執(zhí)行，子程序調(diào)用與返回執(zhí)行等,這些程序的流程結構對任何程序設計語言都是類似的。程序設計的主導思想是如何用一種語言寫出解決問題的過程和具體算法，切不可變成試用各種語句的一個操作過程。3173典型的匯編程序執(zhí)行流程分支執(zhí)行JRC指令指令i指令i＋2指令i＋3指令j指令i指令i＋1指令i＋2循環(huán)執(zhí)行JRZ指令指令i＋4指令i指令i＋1指令i＋2順序執(zhí)行(C=1)(Z=1)74典型的匯編程序執(zhí)行流程指令j指令j＋1…子程序調(diào)用與返回執(zhí)行指令i指令i＋2指令i＋3CALA指令RET指令iJMPA指令指令i＋2轉移執(zhí)行指令i＋3指令j(i+1)75TEC-2008機的基本指令和匯編語句規(guī)則數(shù)據(jù)移動指令

MVRR、MVRD、LDRR、STRR堆棧操作指令

PUSH、POP、PSHF、POPF輸入輸出指令

IN、OUT算術邏輯運算指令

ADD、SUB、AND、XOR、TEST、

CMP、OR、DEC、INC、SHL、SHR轉移指令

JMPA、JR、JRC、JRNC、JRZ、JRNZ子程序調(diào)用與返回指令

CALA、RETMV:MOVELD:LOADST:STORESH:SHIFTJMP:JUMPCAL:CALLRET:RETURNJR:JUMPRELATIVER:REGISTERD:DATAA:ADDRESSF:FLAG

指令命名規(guī)則76教學機的匯編程序的例子例1：在屏幕上輸出顯示一個字符‘6’。A2000;地址從16進制的2000開始

(內(nèi)存RAM區(qū)的起始地址)2000:MVRDR0,36;把字符‘6’的ASCII碼送入R02002:OUT80;輸出顯示字符‘6’,80為串口地址2003:RET;每個用戶程序都必須用RET指令結束2004：（按回車鍵即結束源程序的輸入過程）提示：在本計算機中，IN、OUT指令處理的只能是字符型數(shù)據(jù)，用到的通用寄存器默認使用R0；77教學計算機中的匯編程序的例子例2：設計一個程序，完成16進制的22+120的計算。A2000;從內(nèi)存RAM區(qū)的起始地址16進制的2000

開始2000:MVRDR0,0022;把被加數(shù)送入R02002:MVRDR1,0120;把加數(shù)送入R12004:ADDR0,R1;執(zhí)行加法運算并保存運算結果2005:RET;每個用戶程序都必須用RET指令結束2006：（按回車鍵即結束源程序的輸入過程）說明：1、程序中給出的數(shù)是16進制的，使得實現(xiàn)匯編器程序可以更簡單；

2、要完成數(shù)據(jù)運算，被運算數(shù)據(jù)要送到寄存器中之后才能進行計算；

3、用戶程序選用RET語句結束，與監(jiān)控程序處理用戶程序方法有關。3378教學機匯編程序的例子例3：計算1到10的累加和。A2060MVRDR1，0000；置累加和的初值為0MVRDR2，000A；最大的加數(shù)

SUBR3，R3；預置參加累加的數(shù)為0(2065)INCR3；得到下一個參加累加的數(shù)

ADDR1，R3；累加計算

CMPR3，R2；判斷是否累加完

JRNZ2065；未完，開始下一輪累加

RET運行過后，可以用R命令看R1中的累加結果。79教學機匯編程序的例子例4：用次數(shù)控制在屏幕上輸出‘0’到‘9’十個數(shù)字符。A2020MVRDR2，000A；送入輸出字符的個數(shù)

MVRDR0，0030；‘0’字符的ASCII碼(2024)OUT80；輸出保存在R0低位字節(jié)的字符

DECR2；輸出字符個數(shù)減1JRZ202E；判全部字符輸出完否，已完則轉到程序結束處

PUSHR0；未完，保存R0的值到堆棧中(2028)IN81；查詢接口狀態(tài)，判字符的串行輸出過程結束否

SHRR0；

JRNC2028；未完成，則循環(huán)等待

POPR0；已完成，準備繼續(xù)輸出下一字符，從堆?；謴?；R0的值

INCR0；得到下一個要輸出的字符

JR2024；轉去輸出字符(202E)RET80教學機匯編程序的例子例5：從鍵盤上鍵入多個屬于‘0’到‘9’的數(shù)字符并在屏幕上顯示，遇非數(shù)字符結束程序。A2040MVRDR2，0030；用于判數(shù)字符的下界值

MVRDR3，0039；用于判數(shù)字符的上界值(2044)IN81；判鍵盤上是否按了一個鍵

SHRR0；即串行口是否有了輸入的字符

SHRR0JRNC2044；尚沒有輸入則循環(huán)測試

IN80；把輸入字符讀到R0低位字節(jié)

MVRDR1,00FFANDR0,R1；將R0的高位字節(jié)清0CMPR0，R2；判輸入的字符＜字符‘0’否

JRNC2053；是，則轉到程序結束處

CMPR3，R0；判輸入的字符＞字符‘9’否

JRNC2053；是，則轉到程序結束處

OUT80；輸出剛輸入的數(shù)字符

JMPA 2044；轉去程序前邊2044處等待輸入下一個字符(2053)RET81教學機匯編程序的例子例6：設計一個有讀寫內(nèi)存和子程序調(diào)用指令的程序，功能是讀出指定內(nèi)存中的大寫字母字符，將其顯示到屏幕上，轉換為小寫字母后再寫回存儲器的原存儲單元。用E命令送入6個字符‘A’~‘F’到內(nèi)存20F0開始的存儲區(qū)域中，運行后用D命令查看A2080MVRDR3，0006；指定被讀數(shù)據(jù)的個數(shù)

MVRDR2，20F0；指定被讀、寫數(shù)據(jù)內(nèi)存區(qū)首地址(2084)LDRRR0,[R2]；讀內(nèi)存中的一個字符到R0寄存器

CALA2100；調(diào)用子程序，入口地址為2100，

DECR3；檢查輸出的字符個數(shù)

JRZ208B；完成輸出則結束程序的執(zhí)行過程

INCR2；未完成，修改內(nèi)存地址

JR2084；轉移到程序的2084處，循環(huán)執(zhí)行規(guī)定的處理(208B)RETA2100；輸入用到的子程序到內(nèi)存2100開始的存儲區(qū)

OUT80；輸出保存在R0寄存器中的字符

MVRDR1，0020；轉換保存在R0中的大寫字母為小寫字母

ADDR0，R1STRR[R2],R0；寫R0中的字符到內(nèi)存，地址同LDRR所用的地址(2105)IN81；測試串行接口是否完成輸出過程

SHRR0JRNC2105；未完成輸出過程則循環(huán)測試

RET；結束子程序執(zhí)行過程，返回主程序82匯編程序中可以調(diào)用監(jiān)控程序中的子程序

用戶可以在自己的程序中巧妙地調(diào)用監(jiān)控程序中的大部分的子程序，類似于同學習PC機匯編程序中用到的系統(tǒng)調(diào)用功能（INTn），完成諸如：輸入一個字符，輸入一個16進制的整數(shù)，輸入以回車結束的一行字符；輸出一個字符，輸出2個字符，輸出一個16進制的整數(shù)，輸出一個以數(shù)值0字結束的字符串；寄存器的內(nèi)容左移、右移4位或者8位；大、小寫英文字母轉換，ASCII碼轉成2進制碼；也包括調(diào)用例如D、U等更強大功能的子程序。3983監(jiān)控程序中可用的子程序舉例INCH0524;從鍵盤讀入一個字符到R0低位字節(jié)并清0高位字節(jié)OUT1CH056B;把R0低位字節(jié)中的字符輸出到顯示器屏幕WSTR1CH057F

;把R2中內(nèi)容為首地址、以內(nèi)容為0值的字結束的字符串輸出到屏幕上

;在教學計算機中，不特殊處理時，每個字符占用一個內(nèi)存字(2個字節(jié))LNLNE0589

;從鍵盤讀入一個以回車鍵結束的字符串到R2內(nèi)容為首地址的內(nèi)存區(qū)SHDW0654;R0的內(nèi)容右移8位SHD4