第5章 指令系統(tǒng)(7h)

計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)主講：弓劍鋒

2011-2012-2第五章指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)的發(fā)展指令格式數(shù)據(jù)表示尋址方式指令類型RISC與CISC本章內(nèi)容：P138-P1705.1指令系統(tǒng)的發(fā)展

計(jì)算機(jī)的性能與它所設(shè)置的指令系統(tǒng)有很大的關(guān)系，而指令系統(tǒng)的設(shè)置又與機(jī)器的硬件結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。

發(fā)展過(guò)程

20世紀(jì)50年代、60年代早期

一般只有定點(diǎn)加減、邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送和轉(zhuǎn)移等十幾至幾十條最基本的指令，且尋址方式簡(jiǎn)單。

20世紀(jì)60年代中、后期

增加了乘除法運(yùn)算、浮點(diǎn)運(yùn)算、十進(jìn)制運(yùn)算以及字符串處理指令等，指令數(shù)多達(dá)一、二百條，指令系統(tǒng)越來(lái)越豐富，且尋址方式也趨于多樣化。5.1指令系統(tǒng)的發(fā)展在60年代出現(xiàn)了系列(series)計(jì)算機(jī)。

為了繼承已有的軟件，減少軟件的開(kāi)發(fā)費(fèi)用，人們迫切希望各機(jī)器上的軟件能夠兼容，以便在舊機(jī)器上編制的各種軟件也能在新的、性能更好的機(jī)器上正確運(yùn)行。

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)相同的一系列計(jì)算機(jī)。

系列機(jī)能解決軟件兼容問(wèn)題的必要條件是該系列的各個(gè)機(jī)種有共同的指令集。5.1指令系統(tǒng)的發(fā)展指令系統(tǒng)趨于多用途、強(qiáng)功能化。

指令系統(tǒng)的改進(jìn)是圍繞著縮小指令與高級(jí)語(yǔ)言的語(yǔ)義差異以及有利于操作系統(tǒng)的優(yōu)化而進(jìn)行的。

70年代末，人們提出了精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)RISC。指令結(jié)構(gòu)太復(fù)雜會(huì)帶來(lái)一些不利的因素（設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，正確性難以保證，不易維護(hù)等）。在龐大的指令系統(tǒng)中：只有諸如算術(shù)運(yùn)算、邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送、轉(zhuǎn)移和子程序調(diào)用等幾十條最基本的指令經(jīng)常被使用，而需要大量硬件支持的大多數(shù)較復(fù)雜的指令卻利用率很低，造成硬件資源的極大浪費(fèi)。5.2指令格式指令格式指令操作碼的擴(kuò)展技術(shù)指令長(zhǎng)度與字長(zhǎng)的關(guān)系本節(jié)內(nèi)容：P139-P1435.2指令格式計(jì)算機(jī)只能夠識(shí)別和執(zhí)行用機(jī)器語(yǔ)言編寫(xiě)的程序。各種高級(jí)語(yǔ)言編寫(xiě)的應(yīng)用程序，最終都要翻譯成機(jī)器語(yǔ)言來(lái)執(zhí)行。機(jī)器語(yǔ)言是由一系列的指令（語(yǔ)句）組成的。指令的格式就是機(jī)器語(yǔ)言的語(yǔ)法。一臺(tái)計(jì)算機(jī)的所有的指令集合稱為該機(jī)的指令系統(tǒng)或指令集。它是程序工作者編制程序的基本依據(jù)，也是進(jìn)行計(jì)算機(jī)邏輯設(shè)計(jì)的基本依據(jù)。每條指令規(guī)定機(jī)器完成一定的功能。5.2.1指令格式一條指令應(yīng)包含如下信息：操作的性質(zhì)：體現(xiàn)在指令中被稱為操作碼。操作結(jié)果的保存：由地址碼給出。操作的對(duì)象：數(shù)據(jù)來(lái)源以及如何尋找操作數(shù)。體現(xiàn)在指令中被稱為地址碼。下一條指令的地址：由操作碼和地址碼共同決定，并由程序計(jì)數(shù)器PC給出。操作碼決定為順序執(zhí)行時(shí)，下條指令地址為PC+1；決定為非順序執(zhí)行時(shí)，下條指令地址由地址碼送至PC。例如轉(zhuǎn)移指令，操作碼指明轉(zhuǎn)移性質(zhì)，跳轉(zhuǎn)地址由地址碼給出。5.2.1指令格式操作碼(OPCODE)：表示該指令所要完成的具體操作，其長(zhǎng)度取決于指令集中的指令條數(shù)。指令格式操作碼OP地址碼A地址碼(A)：描述該指令的操作對(duì)象。一般包括：操作數(shù)、操作數(shù)地址、操作結(jié)果的存儲(chǔ)地址。其中，地址指寄存器的地址、存儲(chǔ)器的地址或I/O設(shè)備的地址。5.2.1指令格式零地址指令類型OPCODE指令中只有操作碼，而沒(méi)有操作數(shù)或沒(méi)有操作數(shù)地址。包括兩類指令：無(wú)需操作數(shù)的指令。如空操作指令、停機(jī)指令等。默認(rèn)操作數(shù)的指令。如堆棧操作指令。5.2.1指令格式單地址指令指令中只給出一個(gè)地址碼。包括兩類指令：

A1是操作數(shù)的地址，也是操作結(jié)果的存儲(chǔ)地址。如±1（自加、自減）指令。

A1是一個(gè)操作數(shù)或操作數(shù)的地址，另一個(gè)操作數(shù)地址（也是結(jié)果的存儲(chǔ)地址）為累加寄存器AC（隱含）。OPCODEA15.2.1指令格式雙地址指令指令中給出兩個(gè)地址碼，為最常見(jiàn)的指令格式。

A1：源操作地址碼，給出一個(gè)源操作數(shù)或其地址；

A2：目的操作地址碼，給出另一個(gè)源操作數(shù)的地址，同時(shí)也是存放結(jié)果的地址。OPCODEA1A25.2.1指令格式三地址指令指令中給出三個(gè)地址碼，說(shuō)明如下：

A1：第一個(gè)操作數(shù)或其地址；

A2：第二個(gè)操作數(shù)或其地址；

A3：操作結(jié)果的存放地址。OPCODEA1A2A35.2.1指令格式多地址指令在某些性能較好的大、中型機(jī)甚至高檔的小型機(jī)中，往往設(shè)置一些功能很強(qiáng)、用于處理成批數(shù)據(jù)的指令，如字符串處理指令，向量、矩陣運(yùn)算指令等。為了描述一批數(shù)據(jù)，指令中需要多個(gè)地址來(lái)指出數(shù)據(jù)存放的首地址、長(zhǎng)度和下標(biāo)等信息。OPCODEA1A2A3…An5.2.1指令格式對(duì)比0~2地址指令：指令短、速度快、硬件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。3~n地址指令：功能強(qiáng)大、便于編程，但硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，常出現(xiàn)于高性能機(jī)器的擴(kuò)展指令集中。指令地址與數(shù)據(jù)地址

數(shù)據(jù)：操作的對(duì)象。數(shù)據(jù)地址由指令中的地址碼給出。

指令：操作的性質(zhì)。指令地址由程序計(jì)數(shù)器PC的值給出。5.2.2指令操作碼的擴(kuò)展

指令的操作碼標(biāo)明操作的性質(zhì)，不同的指令其操作碼不同。指令中操作碼的長(zhǎng)度取決于指令集中指令的數(shù)量。例如，指令集有62條指令，則操作碼長(zhǎng)度>6時(shí)才能滿足指令集要求（26>62）。指令的設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于對(duì)指令操作碼的編碼設(shè)計(jì)。5.2.2指令操作碼的擴(kuò)展固定長(zhǎng)度操作碼編碼格式操作碼所占的二進(jìn)制位數(shù)固定不變。有利于簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)，減少指令譯碼時(shí)間，廣泛用于字長(zhǎng)較長(zhǎng)的大、中型計(jì)算機(jī)和超級(jí)小型計(jì)算機(jī)中。例如IBM370和VAX﹣11系列機(jī)中,操作碼的長(zhǎng)度都是8位，可表示256條指令。在整條指令長(zhǎng)度不變的情況下，對(duì)于地址個(gè)數(shù)少的指令允許其操作碼長(zhǎng)些，對(duì)于地址個(gè)數(shù)多的指令則操作碼短些。5.2.2指令操作碼的擴(kuò)展可變長(zhǎng)度操作碼操作碼長(zhǎng)度可變是操作碼擴(kuò)展技術(shù)的應(yīng)用。有利于壓縮程序中操作碼的平均長(zhǎng)度，在字長(zhǎng)較短的微型機(jī)中被廣泛應(yīng)用。例如：PDP－11，INTEL8086/80386等，其操作碼的長(zhǎng)度均是可變的。5.2.2指令操作碼的擴(kuò)展例如，設(shè)某機(jī)器的指令長(zhǎng)度為16位，包括1個(gè)4位的操作碼和3個(gè)4位的地址碼，其格式為：操作碼擴(kuò)展操作碼長(zhǎng)度固定時(shí)，只能編碼16條指令。操作碼長(zhǎng)度可變時(shí)，如下方法可擴(kuò)展表示61條指令：5.2.2指令操作碼的擴(kuò)展OPCODEA1A2A30000A1A2A30001A1A2A30010A1A2A30011A1A2A30100A1A2A30101A1A2A30110A1A2A30111A1A2A31000A1A2A31001A1A2A31010A1A2A31011A1A2A31100A1A2A31101A1A2A31110A1A2A31111A1A2A3操作碼長(zhǎng)度固定5.2.2指令操作碼的擴(kuò)展0000A1A2A31110A1A2A31111A1A2A3…………15條三地址指令1111A2A30000…………1111A2A311101111A2A300011111A2A3111116條二地址指令5.2.2指令操作碼的擴(kuò)展0000A1A2A31110A1A2A31111A1A2A3…………15條三地址指令1111A2A30000…………1111A2A311101111A2A300011111A2A3111116條二地址指令15條二地址指令1111A3111100001111A311110001…………1111A3111111101111A31111111116條單地址指令5.2.2指令操作碼的擴(kuò)展1111A3111100001111A311110001…………1111A3111111101111A31111111116條單地址指令15條單地址指令11111111111100001111111111110001…………1111111111111110111111111111111116條零地址指令5.2.2指令操作碼的擴(kuò)展其他擴(kuò)展方法：實(shí)際的機(jī)器可以采用各種靈活的擴(kuò)展方式，其思路與此類似。例如，形成15條三地址指令，12條二地址指令，31條單地址指令，16條零地址指令，共74條。

上述方法是在不增加指令長(zhǎng)度的情況下，采用對(duì)地址少的指令使用較長(zhǎng)的操作碼，對(duì)地址數(shù)多的指令使用較短的操作碼。其實(shí)質(zhì)是增加了指令的數(shù)量，豐富了指令的功能。5.2.2指令操作碼的擴(kuò)展指令的分配：指令的分配以指令的使用頻度（即在程序中出現(xiàn)的概率）為依據(jù)。即頻度高的指令應(yīng)分配短的操作碼，頻度低的指令則分配較長(zhǎng)的操作碼。優(yōu)點(diǎn)：1、有效地縮短操作碼在程序中的平均長(zhǎng)度，節(jié)省存儲(chǔ)空間；

2、縮短常用指令的譯碼時(shí)間以提高程序的運(yùn)行速度。缺點(diǎn)：譯碼系統(tǒng)比固定操作碼復(fù)雜，增加了設(shè)計(jì)控制器的難度，需要更多的硬件支持。5.2.2指令操作碼的擴(kuò)展操作碼的平均長(zhǎng)度=(0.45+0.28+0.17)×2+(0.05+0.03+0.01+0.01)×4=2.2bit5.2.3指令長(zhǎng)度與字長(zhǎng)即機(jī)器字長(zhǎng)，指計(jì)算機(jī)能直接處理的二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位數(shù)。字長(zhǎng)是計(jì)算機(jī)中的一項(xiàng)重要技術(shù)指標(biāo)，字長(zhǎng)越長(zhǎng)，計(jì)算機(jī)的運(yùn)算精度越高。字長(zhǎng)為了便于處理字符數(shù)據(jù)及盡可能地利用存儲(chǔ)空間，一般機(jī)器字長(zhǎng)定為字節(jié)長(zhǎng)度的整數(shù)倍，即8位、16位、32位或64位。微型、小型機(jī)的字長(zhǎng)多為8位、16位和32位；中、大型機(jī)的字長(zhǎng)多為32位和64位。5.2.3指令長(zhǎng)度與字長(zhǎng)指令長(zhǎng)度即指令字長(zhǎng)，取決于操作碼的長(zhǎng)度、地址碼的長(zhǎng)度和地址碼的個(gè)數(shù)。指令長(zhǎng)度其中，地址碼的長(zhǎng)度決定指令的直接尋址能力。例如，INTEL8086/80586系列機(jī)的指令長(zhǎng)度分別為8位、16位、24位、32位、48位等。而最長(zhǎng)的指令可達(dá)120位。為了充分利用存儲(chǔ)空間，指令長(zhǎng)度也定為字節(jié)長(zhǎng)度的整數(shù)倍。5.2.3指令長(zhǎng)度與字長(zhǎng)指令長(zhǎng)度與字長(zhǎng)的關(guān)系指令短格式指令指令長(zhǎng)度≦字長(zhǎng)單字長(zhǎng)指令指令長(zhǎng)度=字長(zhǎng)半字長(zhǎng)指令指令長(zhǎng)度=0.5字長(zhǎng)長(zhǎng)格式指令指令長(zhǎng)度＞字長(zhǎng)雙字長(zhǎng)指令指令長(zhǎng)度=2倍字長(zhǎng)四字長(zhǎng)指令指令長(zhǎng)度=4倍字長(zhǎng)……5.2.3指令長(zhǎng)度與字長(zhǎng)各種指令字的結(jié)構(gòu)情況：地址

II+1I+2I+3指令1指令2指令3指令4┆一個(gè)字長(zhǎng)┆┆指令指令指令指令地址

II+1I+2I+3一個(gè)字長(zhǎng)指令指令指令指令┆地址

II+1I+2I+3指令1指令2一個(gè)字長(zhǎng)┆單字長(zhǎng)指令雙字長(zhǎng)指令半字長(zhǎng)指令變字長(zhǎng)指令指令3一個(gè)字長(zhǎng)地址II+1I+2I+3I+4I+5I+6指令1指令2┆5.3數(shù)據(jù)表示目前微機(jī)所用數(shù)據(jù)字長(zhǎng)為32位或64位。8位和16位機(jī)器字長(zhǎng)多用于各種單片機(jī)中。計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)可支持對(duì)字節(jié)、半字、字、雙字的運(yùn)算，有些計(jì)算機(jī)還有位處理指令（多見(jiàn)于單片機(jī)中）。5.3數(shù)據(jù)表示為便于硬件實(shí)現(xiàn)，一般要求多字節(jié)數(shù)據(jù)對(duì)準(zhǔn)邊界，從而減少訪存的次數(shù)。邊界對(duì)準(zhǔn)特點(diǎn)1：半字地址最低位為零；字地址最低兩位為零；雙字地址最低三位為零。特點(diǎn)2：若數(shù)據(jù)長(zhǎng)度不足，則填充空字節(jié)。例如三字節(jié)數(shù)據(jù)占用雙字存儲(chǔ)，有一字節(jié)為空。5.3數(shù)據(jù)表示若不要求對(duì)準(zhǔn)邊界，則可以節(jié)約存儲(chǔ)空間。但可能增加訪存次數(shù)。例如，下圖出現(xiàn)一個(gè)字在兩個(gè)存儲(chǔ)單元中的情況，需訪問(wèn)2次存儲(chǔ)器才能取得數(shù)據(jù)。5.4尋址方式尋址方式：在存儲(chǔ)器中，操作數(shù)或指令字寫(xiě)入或讀出的方式，有地址指定方式、相聯(lián)存儲(chǔ)方式和堆棧存取方式。幾乎所有的計(jì)算機(jī)，在內(nèi)存中都采用地址指定方式。當(dāng)采用地址指定方式時(shí)，形成操作數(shù)或指令地址的方式，稱為尋址方式。尋址方式分為兩類，即指令尋址方式和數(shù)據(jù)尋址方式，前者比較簡(jiǎn)單，后者比較復(fù)雜。一般所說(shuō)的尋址方式指數(shù)據(jù)尋址方式。5.4尋址方式CPU一直都在尋找的東西……指令：通過(guò)程序計(jì)數(shù)器PC（存放著下一條指令的地址）的值找到下一條要執(zhí)行的指令。PC的值由當(dāng)前正在執(zhí)行的指令決定，當(dāng)前指令的操作碼決定程序是順序執(zhí)行，還是非順序執(zhí)行。若為順序執(zhí)行，則PC+1；若為非順序執(zhí)行，則PC值由當(dāng)前指令地址碼給出。指令尋址方式分順序?qū)ぶ泛吞S（轉(zhuǎn)移）尋址。5.4尋址方式5.4尋址方式6演示5.4尋址方式數(shù)據(jù)：通過(guò)指令實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)存放的三個(gè)地方：寄存器、存儲(chǔ)器、I/O設(shè)備。

不同的存放空間決定了尋找數(shù)據(jù)方法的不同，造成了數(shù)據(jù)尋址方式的多樣化和復(fù)雜化。數(shù)據(jù)尋址方式就是指尋找操作數(shù)所用的方法，它與計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，對(duì)指令的格式和功能都有極大的影響。5.4尋址方式注明：D或A—地址碼；E—操作數(shù)的有效地址；S—操作數(shù)；R—寄存器地址。指令中的地址碼就是所需的操作數(shù)。1立即尋址優(yōu)點(diǎn)：操作數(shù)在取指令時(shí)同時(shí)得到，不必再次訪問(wèn)存儲(chǔ)器，提高了指令執(zhí)行速度。缺點(diǎn)：操作數(shù)數(shù)值受限；操作數(shù)不能單獨(dú)修改。

OP#S立即尋址特征立即數(shù)S＝D5.4尋址方式指令中的地址碼是操作數(shù)的地址。2直接尋址優(yōu)點(diǎn)：不需計(jì)算地址，尋址速度很快；缺點(diǎn)：尋址范圍受到地址字段長(zhǎng)度的限制。演示演示S＝(E)＝(D)5.4尋址方式指令中的地址碼是操作數(shù)的有效地址的地址。3間接尋址優(yōu)點(diǎn)：地址構(gòu)成靈活，尋址范圍大；缺點(diǎn)：最少需訪問(wèn)兩次存儲(chǔ)器才能取得數(shù)據(jù)。演示S＝(E)＝((D))演示5.4尋址方式指令中的地址碼是某寄存器的地址，操作數(shù)在該寄存器中。4寄存器尋址優(yōu)點(diǎn)：寄存器高速存取，可大幅提高執(zhí)行速度；缺點(diǎn)：寄存器數(shù)量有限。

OP……RiRi

SS=(E)=(R)5.4尋址方式指令中的地址碼是某寄存器的地址，操作數(shù)的地址在該寄存器中。5寄存器間址優(yōu)點(diǎn)：借助寄存器提高執(zhí)行速度；尋址靈活；缺點(diǎn)：寄存器數(shù)量有限。S=(E)

=((R))OP

……

Ri

E

Ri

S5.4尋址方式程序計(jì)數(shù)器PC的值（基址）加指令地址碼（位移量）形成操作數(shù)的有效地址。6相對(duì)尋址特點(diǎn)：1、位移量可正可負(fù)，通常用補(bǔ)碼表示。2、常用于程序跳轉(zhuǎn)。S=(E)

=(PC+D)演示演示5.4尋址方式舉例如下：OP…35PC:相對(duì)距離

=35內(nèi)存OP…35300010351000PC值為1000，指令地址碼為35，相對(duì)地址為1035。這個(gè)地址隨PC的值變化而變化，并且相對(duì)差一個(gè)固定值。因此，當(dāng)把操作數(shù)作為指令地址時(shí)，無(wú)論程序裝入存儲(chǔ)器的任何區(qū)域，只要這個(gè)差值不變，程序均能正確運(yùn)行。5.4尋址方式基址寄存器的內(nèi)容（基址）加指令地址碼（位移量）形成操作數(shù)的有效地址。7基址尋址S=(E)

=((R)+D)址5.4尋址方式當(dāng)存儲(chǔ)容量較大，所需地址碼的長(zhǎng)度大于字長(zhǎng)時(shí)，指令中的地址碼部分直接給出的地址不可能直接訪問(wèn)存儲(chǔ)器的所有單元。演示因此，把整個(gè)存儲(chǔ)空間分成若干段，每段的首地址存放在一個(gè)基址寄存器中，段內(nèi)的位移量由指令直接給出。基址寄存器:專用寄存器，或者由指令指定的某個(gè)通用寄存器。用途：1、大容量存儲(chǔ)體尋址；2、查表。變址變址寄存器:專用寄存器，或者由指令指定的某個(gè)通用寄存器或內(nèi)存單元。5.4尋址方式變址寄存器的內(nèi)容（變址）加指令地址碼（位移量）形成操作數(shù)的有效地址。8變址尋址S=(E)

=((R)+D)演示5.4尋址方式Ri為變址寄存器時(shí)的變址尋址內(nèi)存20501000opX3

Ri00801080內(nèi)存

2050

1080變址寄存器

1000Ri

OP

X3

Ri

0080Ri為內(nèi)存變址單元時(shí)的變址尋址5.4尋址方式基址尋址面向系統(tǒng)，主要用于邏輯地址到物理地址的變換，用來(lái)解決程序在主存儲(chǔ)器中的再定位和擴(kuò)大尋址空間等問(wèn)題。基址和變址的應(yīng)用方向變址尋址則面向用戶，用于訪問(wèn)字符串、向量和數(shù)組等成批數(shù)據(jù)，沒(méi)有邏輯地址到物理地址的變換功能。在一些小型機(jī)或微型機(jī)中，基址尋址和變址尋址實(shí)際上已經(jīng)合二為一了。5.4尋址方式段尋址基于基址尋址。操作數(shù)地址由段地址加地址碼指定的偏移量得到。9段尋址S=(E)

=((R)+D)

段寄存器：專用寄存器，存放段地址。常用的段寄存器有：CS（程序段段寄存器）、DS（數(shù)據(jù)段段寄存器）、SS（堆棧段段寄存器）、ES（擴(kuò)展數(shù)據(jù)段段寄存器），參見(jiàn)5.8.2小節(jié)。Intel8086CPU由16位段寄存器和16位偏移量產(chǎn)生20位物理地址。演示5.4尋址方式操作數(shù)在堆棧中。10堆棧尋址5.5指令類型一臺(tái)計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)通常有上百條或幾百條指令，從它們所完成的功能來(lái)看，一個(gè)較為完善的指令系統(tǒng)，應(yīng)具備以下各類指令：5.5指令類型主要用于定點(diǎn)或浮點(diǎn)的算術(shù)運(yùn)算。包括二進(jìn)制定點(diǎn)加、減、乘、除指令，浮點(diǎn)加、減、乘、除指令，求反、求補(bǔ)指令，十進(jìn)制加、減運(yùn)算指令等。1算術(shù)運(yùn)算指令算術(shù)指令常用的狀態(tài)標(biāo)志位有：Z——結(jié)果為0；N——結(jié)果為負(fù)

；V——結(jié)果溢出；C——產(chǎn)生進(jìn)位或借位。5.5指令類型主要用于無(wú)符號(hào)數(shù)的位操作、代碼的轉(zhuǎn)換、判斷及運(yùn)算。包括與、或、非、異或等指令及相應(yīng)的位操作。2邏輯運(yùn)算指令3移位指令包括算術(shù)移位、邏輯移位和循環(huán)移位指令。常用于實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單的乘除運(yùn)算。算術(shù)移位實(shí)現(xiàn)對(duì)有符號(hào)數(shù)的乘除運(yùn)算；邏輯移位實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)符號(hào)數(shù)的乘除運(yùn)算。5.5指令類型算術(shù)移位邏輯移位5.5指令類型小循環(huán)移位大循環(huán)移位5.5指令類型字符串處理指令是一種非數(shù)值處理指令，這類指令用在文字編輯中對(duì)大量字符串進(jìn)行處理。4字符串處理指令常用操作指令有：字符串傳送：將字符串從主存的一個(gè)區(qū)域區(qū)傳送到另一區(qū)域；字符串轉(zhuǎn)換：把一種編碼的字符串轉(zhuǎn)換成另一種編碼的字符串；字符串替換：把某一字符串用另一字符串代替；5.5指令類型5數(shù)據(jù)傳送指令字符串比較：一個(gè)字符串與另一個(gè)字符串逐個(gè)字符進(jìn)行比較，以判斷是否相等；字符串查詢：查找在字符串中是否含有某一指定的子串或字符；實(shí)現(xiàn)寄存器與寄存器，寄存器與存儲(chǔ)單元以及存儲(chǔ)單元與存儲(chǔ)單元之間的數(shù)據(jù)復(fù)制或交換。主要包括取數(shù)指令、存數(shù)指令、傳送指令、成組傳送指令、字節(jié)交換指令等。5.5指令類型實(shí)現(xiàn)程序跳轉(zhuǎn)。常見(jiàn)類型有：無(wú)條件轉(zhuǎn)移指令、條件轉(zhuǎn)移指令、轉(zhuǎn)子程序指令、返回主程序指令、中斷返回指令等。6程序控制指令（轉(zhuǎn)移指令）1、無(wú)條件轉(zhuǎn)移指令：不受任何條件約束，直接把程序轉(zhuǎn)移到指令規(guī)定的地方。常見(jiàn)指令：JMP。5.5指令類型2、條件轉(zhuǎn)移指令：先測(cè)試設(shè)置的判斷條件，然后根據(jù)測(cè)試結(jié)果決定是否轉(zhuǎn)移。算術(shù)標(biāo)志位（Z、N、V、C）常用作判斷條件，此類指令較多，詳見(jiàn)P151~152。根據(jù)尋址方式不同，條件轉(zhuǎn)移可分為：相對(duì)轉(zhuǎn)移：轉(zhuǎn)移地址PC←PC+地址碼（相對(duì)尋址）絕對(duì)轉(zhuǎn)移：轉(zhuǎn)移地址PC←地址碼（直接尋址）5.5指令類型3、轉(zhuǎn)子指令：轉(zhuǎn)向子程序入口，并將原程序中下一條指令地址（PC）存入內(nèi)存單元（或寄存器、堆棧）中，以便為返回主程序時(shí)提供返回地址。4、返回指令：

從內(nèi)存單元（或寄存器、堆棧）中取出返回地址，返回主程序繼續(xù)執(zhí)行調(diào)用指令的下一條指令。5、中斷返回指令：

中斷服務(wù)程序完成后，恢復(fù)斷點(diǎn)，返回主程序，繼續(xù)從斷點(diǎn)處開(kāi)始執(zhí)行指令。5.5指令類型陷阱是一種意外事故中斷，目的是把發(fā)生的故障通知CPU，并根據(jù)故障的情況轉(zhuǎn)入相應(yīng)的故障處理程序。7陷阱指令陷阱指令是一種隱含指令（不出現(xiàn)在指令系統(tǒng)中，其功能以指令的形式隱含地完成），用戶不能使用。當(dāng)故障出現(xiàn)時(shí)，由CPU自動(dòng)產(chǎn)生并執(zhí)行，故又叫自中斷指令。陷阱觸發(fā)后，中斷強(qiáng)制執(zhí)行，不可屏蔽！5.5指令類型堆棧：8堆棧指令堆棧是一組能存取數(shù)據(jù)的暫時(shí)存儲(chǔ)單元（類似主存），很多計(jì)算機(jī)把主存的一部分用作堆棧。堆棧和其它形式的存儲(chǔ)器之間的差別是：它們對(duì)數(shù)據(jù)的存取方法和尋址方式有所不同。堆棧采用先進(jìn)后出(FILO：firstinlastout)的存取方式（破壞性讀出）。棧底固定不變，棧頂為數(shù)據(jù)通道。任何堆棧操作只能在棧頂進(jìn)行。5.5指令類型堆棧指針SP(stackpointer)：用于軟堆棧指出棧頂?shù)刂返募拇嫫骰虼鎯?chǔ)器單元。堆棧分類：按構(gòu)成方式不同分串聯(lián)堆棧和存儲(chǔ)器堆棧兩種。串聯(lián)堆棧（硬堆棧）：由8或16個(gè)具有移位功能的寄存器組成。操作速度快。但它要受到寄存器數(shù)目的限制。演示演示演示5.5指令類型存儲(chǔ)器堆棧（軟堆棧）：利用一部分主存空間構(gòu)成堆棧，需要指針SP指示棧頂?shù)囊苿?dòng)情況。當(dāng)軟堆棧建立后，該部分存儲(chǔ)區(qū)則不能再作他用。演示演示演示存儲(chǔ)器堆棧的優(yōu)點(diǎn)有：堆棧的長(zhǎng)度可視程序的要求任意設(shè)置；?堆棧的數(shù)目可由程序員任意規(guī)定；?可使用對(duì)存儲(chǔ)器尋址的任何一條指令來(lái)對(duì)堆棧中的數(shù)據(jù)進(jìn)行尋址。5.5指令類型堆棧操作：入棧：把指定的操作數(shù)送入堆棧棧頂。堆棧指針SP-n（n=壓入數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)）。入棧指令：PUSH。出棧：把棧頂?shù)臄?shù)據(jù)取出，送到指令指定的單元。堆棧指針SP+n（n=壓入數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)）。出棧指令：POP。堆棧功能：除具備主存的功能外，堆棧常用于中斷、子程序調(diào)用過(guò)程中保存返回地址、狀態(tài)標(biāo)志及現(xiàn)場(chǎng)信息。也常用于子程序調(diào)用及返回時(shí)的參數(shù)傳遞。5.5指令類型9I/O指令用來(lái)啟動(dòng)外圍設(shè)備，檢查測(cè)試外圍設(shè)備的工作狀態(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)備之間的信息傳送。指令格式：OPCODERA操作碼，表示I/O指令。寄存器名，指定與外部設(shè)備交換數(shù)據(jù)的寄存器。外設(shè)的某寄存器地址或設(shè)備碼，長(zhǎng)度一般為8～16位，可表示256～64K個(gè)地址。5.5指令類型10特權(quán)指令具有特殊權(quán)限的指令。這類指令只用于操作系統(tǒng)或其他系統(tǒng)軟件，一般不直接提供給用戶使用。在多用戶、多任務(wù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中特權(quán)指令必不可少。它主要用于系統(tǒng)資源的分配和管理。包括改變系統(tǒng)的工作方式、檢測(cè)用戶的訪問(wèn)權(quán)限、修改虛擬存儲(chǔ)器管理的段表、頁(yè)表和完成任務(wù)的創(chuàng)建和切換等。5.5指令類型11其他指令主要包括：向量指令；多處理機(jī)指令；控制類指令：常用的控制類指令有：等待指令、停機(jī)指令、空操作指令、開(kāi)中斷、關(guān)中斷、置條件碼（狀態(tài)寄存器置位）指令、復(fù)位指令、測(cè)試指令等。5.7

RISC、CISCCISCCISC時(shí)代背景：隨著硬件成本不斷下降，軟件成本不斷上升，促進(jìn)人們?cè)谥噶钕到y(tǒng)中增加更多的指令和更復(fù)雜的指令，以適應(yīng)不同應(yīng)用領(lǐng)域的需要?！狢omplexInstructionSetComputer系列機(jī)問(wèn)世之后，為了能做到程序兼容，新機(jī)型除了要繼承老機(jī)器的全部指令外，還要增加若干新的指令，從而導(dǎo)致同一系列計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)越來(lái)越復(fù)雜，機(jī)器結(jié)構(gòu)也越來(lái)越復(fù)雜。5.7

RISC、CISC目前，大多數(shù)計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)多到幾百條指令。這就體現(xiàn)了計(jì)算機(jī)性能越高，其指令系統(tǒng)越復(fù)雜的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思想。這類計(jì)算機(jī)稱為“復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)”，簡(jiǎn)稱CISC（ComplexInstructionSetComputer）。例如：VAX11/780計(jì)算機(jī)有303條指令，18種尋址方式；Pentium機(jī)有191條指令，9種尋址方式。CISC現(xiàn)狀：5.7

RISC、CISCRISCRISC時(shí)代背景：復(fù)雜指令需進(jìn)行復(fù)雜的操作，從而降低了機(jī)器的執(zhí)行速度?！猂educedInstructionSetComputer日趨龐大的指令系統(tǒng)使計(jì)算機(jī)的研制周期變長(zhǎng)，且增加了調(diào)試和維護(hù)的難度，還可能降低系統(tǒng)的性能。

1975年IBM公司開(kāi)始研究指令系統(tǒng)的合理性問(wèn)題，JohnCocke提出了精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)的想法。5.7

RISC、CISC第一代RISC處理器?采用VLSICPU芯片,片上晶體管數(shù)為44000個(gè),線寬3m，字長(zhǎng)32位；?有128個(gè)寄存器，均為32位；?只有31條指令，兩種尋址方式。1982年美國(guó)加州伯萊克大學(xué)研究的RISCI機(jī):同時(shí)，斯坦福大學(xué)推出MIPS機(jī)，IBM公司推出IBM801機(jī)，顯示了RISC的生命力，并推動(dòng)了RISC技術(shù)的不斷發(fā)展。5.7

RISC、CISC第二代RISC處理器第二代RISC處理器在第一代的基礎(chǔ)上提高了集成度和時(shí)鐘頻率，建立了比較完善的Cache分層存儲(chǔ)體系。它們已具有單指令流水線，每次順序執(zhí)行多條指令，每個(gè)周期發(fā)出一條指令。例如，MIPS公司的R3000處理器，則采用了25MHZ和33MHZ的時(shí)鐘頻率，芯片集成度是11.5萬(wàn)晶體管，字長(zhǎng)32位。5.7

RISC、CISC第三代RISC處理器第三代RISC處理器則采用了巨型計(jì)算機(jī)或大型計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)技術(shù)——超級(jí)流水線(Superpipelining)技術(shù)和超標(biāo)量(Superrscalar)技術(shù)。提高了指令級(jí)并行處理能力。例如，MIPS公式的R4000處理器采用50MHZ和75MHZ的外部時(shí)鐘頻率（內(nèi)部流水線時(shí)鐘是100MHZ和150MHZ），芯片集成度高達(dá)110萬(wàn)晶體管，字長(zhǎng)是64位，并包含有16KB的Cache。5.7

RISC、CISCRISC構(gòu)成原理：對(duì)CISC指令系統(tǒng)所作的運(yùn)行統(tǒng)計(jì)分析表明，各種指令使用頻率相差懸殊，常用的較為簡(jiǎn)單的指令，僅占指令總數(shù)的20%，但在程序中使用的頻率卻占80％。

RISC技術(shù)的實(shí)質(zhì)是要求指令系統(tǒng)簡(jiǎn)化，盡量使用寄存器－寄存器操作指令，指令操作在一個(gè)周期內(nèi)完成，指令格式力求一致，以利于提高編譯的效率。5.7

RISC、CISC下表是HP公司研究了IBM370計(jì)算機(jī)的高級(jí)語(yǔ)言運(yùn)行情況后所得到的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)：指令類別轉(zhuǎn)移邏輯操作存數(shù)取數(shù)存儲(chǔ)單元送存儲(chǔ)單元整數(shù)運(yùn)算浮點(diǎn)運(yùn)算十進(jìn)制運(yùn)算其它COBOLFORTRANPASCAL24.2%18.0%18.4%14.6%8.1%9.9%40.2%48.7%54.0%12.4%2.1%3.8%6.4%11.0%7.0%0.0%11.9%6.8%1.6%0.0%0.0%0.6%0.2%0.1%5.7

RISC、CISC精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)不僅是要簡(jiǎn)化指令系統(tǒng)，而且要通過(guò)簡(jiǎn)化指令系統(tǒng)而使計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)單合理，以提高運(yùn)算速度，最有效的辦法是減少指令的執(zhí)行周期數(shù)。計(jì)算機(jī)執(zhí)行程序所需要的時(shí)間為：

P=I×CPI×TI——程序編譯后在機(jī)器上運(yùn)行的指令數(shù)；CPI—執(zhí)行每條指令所需的平均周期數(shù)；T——每個(gè)機(jī)器周期的時(shí)間。5.7

RISC、CISCRISC指令簡(jiǎn)單，CISC機(jī)中比較復(fù)雜的指令需用RISC子程序代替，因此RISC中的I比CISC的多20%—40%;RISC的大多數(shù)指令只用一個(gè)機(jī)器周期實(shí)現(xiàn)，CPI的值比CISC的小得多;RISC結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，完成一個(gè)操作所經(jīng)過(guò)的數(shù)據(jù)通道較短，因此，T的值大為減少。T<11CPI1.3~1.74~6I1.2~1.41RISCCISCRISC/CISC的I、CPI、T統(tǒng)計(jì)表其中，I、T為比值，CPI為實(shí)際周期數(shù)。5.7

RISC、CISCRISC的特點(diǎn)：

RISC繼承了CISC的成功技術(shù)，又克服了CISC的缺點(diǎn)。然而，很難在RISC和CISC之間劃出一條明顯的分界線。通過(guò)對(duì)各種RISC產(chǎn)品的分析，可以概括出如下一些主要特點(diǎn)。1、選取使用頻率最高的一些簡(jiǎn)單指令和很有用但不復(fù)雜的指令；2、指令長(zhǎng)度固定，指令格式種類少，