組成原理15第4章指令系統(tǒng)

1第6章指令系統(tǒng)6.1指令格式

6.2尋址方式6.3指令類型

6.4指令系統(tǒng)的設(shè)計技術(shù)6.5指令系統(tǒng)舉例

6.6指令系統(tǒng)的發(fā)展

課堂練習本章小結(jié)作業(yè)26.1指令格式一、指令的基本格式二、指令格式分類三、操作數(shù)類型3一、指令的基本格式指令是由操作碼和地址碼兩部分組成的:操作碼字段（OP）地址碼字段（A）操作碼：用來指明該指令所要完成的操作，如加法、減法、傳送、移位、轉(zhuǎn)移等等。位數(shù)反映了機器的操作種類，也即機器允許的指令條數(shù)，如果操作碼有n位二進制數(shù),則最多可表示2n種指令。地址碼：用來尋找運算所需要的操作數(shù)（源操作數(shù)和目的操作數(shù)）。地址碼包括：源操作數(shù)地址、目的操作數(shù)地址和下一條指令的地址。地址含義：主存的地址、寄存器地址或者I/O設(shè)備地址。

4二、指令格式分類1、按照操作碼分類2、按照地址碼分類3、按照指令字長分類51、按照操作碼分類操作碼長度固定：將操作碼集中放在指令字的一個字段內(nèi)。

這種格式便于硬件設(shè)計，指令譯碼時間短，廣泛應(yīng)用于字長較長的、大中型計算機和超級小型計算機以及RISC（ReducedInstructionSetComputer）中。如IBM370和VAX-11系列機，操作碼長度均為8位。操作碼長度不固定：指令操作碼分散在指令字的不同字段中。這種格式可有效地壓縮操作碼的平均長度，在字長較短的微機中被廣泛采用。如PDP-11，Intel8086/80386等。62、按照地址碼分類（1）三地址指令：（A1）OP（A2）→A3OPA1A2A3（2）二地址指令：（A1）OP（A2）→A1A1：目的操作數(shù)A2：源操作數(shù)（3）單地址指令：（ACC）OP（A）→ACCOP（A）→A單目操作：如NEG、INC等指令OPA1A2OPA72、按照地址碼分類（4）零地址指令不涉及操作數(shù)：如NOP、HLT指令操作數(shù)隱含：如PUSH、POP指令對于寄存器類型的操作數(shù)，地址A指寄存器編號。OP83、按照指令字長分類按指令長度固定與否可以分為：固定指令字長的指令：所有指令的字長均相等，一般等于機器字長?？勺冎噶钭珠L的指令：指令字長不固定，通常取字節(jié)的整數(shù)倍。按照指令字長與機器字長的關(guān)系分類：短格式指令：指令字長小于或等于機器字長。長格式指令：指令字長大于機器字長。一個機器的指令系統(tǒng)中，短格式指令和長格式指令可以并存，通常將最常用的指令設(shè)計成短格式指令，可以節(jié)省存儲空間、提高指令的執(zhí)行速度。9三、操作數(shù)類型按照指令處理的操作數(shù)存放位置分：存儲器類型：操作數(shù)存放在主存中，A為其地址信息寄存器類型：操作數(shù)存放在CPU的通用寄存器中，A為寄存器號立即數(shù)類型：操作數(shù)存放在指令（地址字段）中按照指令處理的操作數(shù)性質(zhì)分：地址（addresses）：存儲器地址，是無符號整數(shù)。數(shù)字（numbers）：整數(shù)、浮點數(shù)、十進制數(shù)。字符（characters）

邏輯數(shù)據(jù)：真假兩種狀態(tài)10類型解釋⒈整數(shù)補碼表示的二進制數(shù)，字節(jié)（8位）、字（16位）和雙字（32位）3種⒉序數(shù)無符號二進制數(shù)，字節(jié)（8位）、字（16位）和雙字（32位）3種⒊UBCD數(shù)未拼裝（unpacked）的BCD數(shù)、數(shù)字值0到9，每個數(shù)字占一個字節(jié)⒋BCD數(shù)經(jīng)過拼裝的BCD數(shù)，一個字節(jié)可表示兩位數(shù)字，從00到99⒌指針32位有效地址，指出段內(nèi)的地址偏移量⒍位字段連續(xù)的位，或稱之為位串。位串可以開始于任意字節(jié)中的任意位置。位串長度可達232-1位⒎字節(jié)串連續(xù)的字節(jié)，也可以是連續(xù)的字或雙字，因為有專門的串指令能對上述3種串進行處理。串長度為0到232-1字節(jié)⒏浮點數(shù)浮點部件所支持的數(shù)據(jù)類型，見附錄表5.3

Pentium指令系統(tǒng)所支持的數(shù)據(jù)類型11Pentium浮點部件所支持的數(shù)據(jù)類型類型解釋⒈字整數(shù)補碼表示的16位帶符號數(shù)⒉短整數(shù)補碼表示的32位帶符號數(shù)⒊長整數(shù)補碼表示的64位帶符號數(shù)⒋BCD數(shù)共80位。最高位是符號位，緊接著的7位沒有使用，剩下的72位表示18個BCD數(shù)字。每個數(shù)字占4位，其值為從0到9⒌單精度浮點數(shù)共32位。最高位是符號位，緊接著的8位是移碼表示的階碼，剩下的23位用來表示尾數(shù)的小數(shù)部分，采用隱藏位⒍雙精度浮點數(shù)共64位。最高位是符號位，緊接著的11位是移碼表示的階碼，剩下的52位用來表示尾數(shù)的小數(shù)部分，采用隱藏位⒎擴展精度浮點數(shù)共80位。最高位是符號位，緊接著的15位是移碼表示的階碼，剩下的64位用來表示尾數(shù)，包括整數(shù)和小數(shù)部分，無隱藏位126.2尋址方式一、指令尋址二、數(shù)據(jù)尋址13一、指令尋址1、順序?qū)ぶ贩绞娇刂破髦惺褂贸绦蛴嫈?shù)器PC來指示指令在內(nèi)存中的地址。在程序順序執(zhí)行時，指令的地址碼由PC自加1得出。指令在內(nèi)存中按順序存放，當順序執(zhí)行一段程序時，根據(jù)PC從存儲器取出當前指令，PC自動＋1，然后執(zhí)行這條指令；接著又根據(jù)PC指示從存儲器取出下一條指令，PC自動＋1，執(zhí)行……。2、跳躍尋址方式當程序執(zhí)行轉(zhuǎn)移指令時，程序不再順序執(zhí)行，而是跳轉(zhuǎn)到另一個地址去執(zhí)行，此時，由該條轉(zhuǎn)移指令的地址碼字段可以得到新指令地址，然后將其置入PC中。14二、數(shù)據(jù)尋址1、立即尋址(ImmediateAddressing）2、直接尋址(DirectAddressing)3、間接尋址(IndirectAddressing)4、寄存器尋址方式(RegisterAddressing)5、寄存器間接尋址方式(RegisterIndirectAddressing)6、變址尋址（IndexedAddressing）7、基址尋址(BasedAddressing)8、相對尋址(RelativeAddressing)9、堆棧尋址(StackAddressing)151、立即尋址(ImmediateAddressing）操作數(shù)在指令的地址碼字段，即：DATA＝A例如：MOVAL,5MOVAX,3064HMOVAL,‘A’162．直接尋址(DirectAddressing)操作數(shù)位于存儲器中，操作數(shù)所在的存儲器單元的地址存放在指令的地址字段A中，即：DATA＝（EA）EA=A173、間接尋址(IndirectAddressing)操作數(shù)位于存儲器中，操作數(shù)所在的存儲器單元地址也存放在存儲器中，該存儲器地址則存放在指令的地址字段中，即：DATA＝（EA）EA=（A）即：A為操作數(shù)地址的地址18A指令存儲器操作數(shù)直接尋址方式:操作數(shù)間接尋址方式:A指令EAEA：194、寄存器尋址方式(RegisterAddressing)操作數(shù)位于寄存器中，操作數(shù)所在的寄存器編號存放在指令的地址字段A中，即：DATA＝（Ri）MOVAX,BXMOVAL,BH205、寄存器間接尋址方式(RegisterIndirectAddressing)操作數(shù)位于存儲器中，操作數(shù)所在的存儲器地址存放在寄存器中，而該寄存器編號存放在指令的地址字段A中，即：DATA＝（EA）EA＝（Ri）21寄存器號指令操作數(shù)寄存器堆寄存器尋址方式：寄存器號指令寄存器堆EA寄存器間接尋址方式：操作數(shù)存儲器226、變址尋址（IndexedAddressing）操作數(shù)位于存儲器中，操作數(shù)所在的存儲器地址EA由變址寄存器RI和指令的地址字段A指出：DATA＝（EA）EA＝（RI

）＋A237、基址尋址(BasedAddressing)操作數(shù)位于存儲器中，操作數(shù)所在的存儲器地址EA由基址寄存器Rb和指令的地址字段A指出：DATA＝（EA）EA＝（Rb

）＋A248、相對尋址(RelativeAddressing)操作數(shù)位于存儲器中，操作數(shù)所在的存儲器地址EA由程序計數(shù)器PC和指令的地址字段A指出：DATA＝（EA）EA＝（PC

）＋AA通常稱作相對偏移量DISP。相對尋址主要用于轉(zhuǎn)移指令，執(zhí)行之后，程序?qū)⑥D(zhuǎn)移到（PC）＋偏移量為地址的指令去執(zhí)行。偏移量可正、可負，通常用補碼表示，即可相對PC值向后或向前轉(zhuǎn)移。259、堆棧尋址(StackAddressing)操作數(shù)位于存儲器中，操作數(shù)所在的存儲器地址EA由堆棧指針寄存器SP隱含指出，通常用于堆棧指令。堆棧是由若干個連續(xù)主存單元組成的先進后出（firstinlastout，即FILO）存儲區(qū)，第一個放入堆棧的數(shù)據(jù)存放在棧底，最近放入的數(shù)據(jù)存放在棧頂。棧底是固定不變的，而棧頂是隨著數(shù)據(jù)的入棧和出棧在時刻變化。棧頂?shù)牡刂酚啥褩Ｖ羔楽P指明。一般計算機中，堆棧從高地址向低地址擴展，即棧底的地址總是大于或等于棧頂?shù)牡刂罚Q為上推堆棧；也有少數(shù)計算機相反，稱為下推堆棧。堆棧尋址主要用來暫存中斷和子程序調(diào)用時現(xiàn)場數(shù)據(jù)及返回地址。26存儲器堆棧段棧底SP棧頂堆棧的結(jié)構(gòu)堆棧的操作：壓入（PUSH）和彈出（POP），對應(yīng)PUSH和POP指令，假設(shè)數(shù)據(jù)字長為1B壓入指令PUSHRi：將Ri寄存器內(nèi)容壓入堆棧。其操作是：（SP）－1→SP，(Ri)→（SP）彈出指令POPRi：從堆棧中彈出1個數(shù)據(jù)送Ri寄存器，其操作是：((SP))→Ri，(SP)＋1→SP其中(SP)表示堆棧指針SP的內(nèi)容；((SP))表示SP所指的棧頂?shù)膬?nèi)容。276.3指令類型1．數(shù)據(jù)傳送指令包括寄存器與寄存器、寄存器與存儲單元、存儲單元與存儲單元之間的傳送。2．算術(shù)邏輯運算指令實現(xiàn)算術(shù)運算（加、減、乘、除等）和邏輯運算（與、或、非、異或）。有些計算機還設(shè)置有位操作指令，如位測試（測試指定位的值）、位清零、位求反指令等。3．移位操作指令可分為算術(shù)移位、邏輯移位和循環(huán)移位。286.3指令類型1．數(shù)據(jù)傳送指令包括寄存器與寄存器、寄存器與存儲單元、存儲單元與存儲單元之間的傳送。2．算術(shù)邏輯運算指令實現(xiàn)算術(shù)運算（加、減、乘、除等）和邏輯運算（與、或、非、異或）。有些計算機還設(shè)置有位操作指令，如位測試（測試指定位的值）、位清零、位求反指令等。3．移位操作指令可分為算術(shù)移位、邏輯移位和循環(huán)移位。29邏輯左移、算術(shù)左移

CF0循環(huán)左移CF

CF帶進位循環(huán)左移CF算術(shù)右移

0CF邏輯右移CF循環(huán)右移CF帶進位循環(huán)右移306.3指令類型4．轉(zhuǎn)移指令無條件轉(zhuǎn)移指令：無條件轉(zhuǎn)至目的地址處執(zhí)行。條件轉(zhuǎn)移指令：條件滿足轉(zhuǎn)至目的地址處執(zhí)行，否則順序執(zhí)行調(diào)用與返回指令：調(diào)用指令CALL用于從當前的程序位置轉(zhuǎn)至子程序的入口；返回指令RETURN用于子程序執(zhí)行完后重新返回到原程序的斷點。5．堆棧操作指令6．輸入輸出指令：它完成從外設(shè)端口讀入一個數(shù)據(jù)到CPU的寄存器內(nèi)，或?qū)?shù)據(jù)從CPU的寄存器輸出到某外設(shè)的端口中。

7．其他指令：包括等待指令、停機指令、空操作指令、開中斷指令等316.4指令系統(tǒng)的設(shè)計技術(shù)一、指令系統(tǒng)的要求

1、完備性：指指令系統(tǒng)直接提供的指令足夠使用，而不必用軟件來實現(xiàn)。2、有效性：是指利用該指令系統(tǒng)所編寫的程序能夠高效地運行。程序占據(jù)存儲空間小、執(zhí)行速度快。3、規(guī)整性：對稱性：所有的指令都可使用各種尋址方式；勻齊性：指令可以支持各種數(shù)據(jù)類型；指令格式和數(shù)據(jù)格式的一致性：指令長度和數(shù)據(jù)長度有一定的關(guān)系，以方便處理和存取。4、兼容性：“向上兼容”，即低檔機上運行的軟件可以在高檔機上運行。

32二、操作碼擴展技術(shù)固定操作碼長度的格式和可變操作碼長度格式在設(shè)計操作碼不固定的指令系統(tǒng)時，應(yīng)安排指令使用頻度高的指令占用短的操作碼，對使用頻度低的指令可占用較長的操作碼，這樣可以縮短經(jīng)常使用的指令的譯碼時間。采用擴展操作碼技術(shù)，使操作碼的長度隨地址數(shù)的減少而增加，即不同地址數(shù)的指令可以具有不同長度的操作碼，從而可以有效地縮短指令字長。指令操作碼擴展技術(shù)是一種重要的指令優(yōu)化技術(shù)，它可以縮短指令的平均長度，增加指令字所能表示的操作信息。但指令操作碼擴展技術(shù)需要更多的硬件支持，它的指令譯碼更加復(fù)雜，使控制器設(shè)計難度增大。33舉例OPA1A2A300000001:1110A1A1:A1A2A2:A2A3A3:A34位操作碼,15條三地址指令11111111:111100000001:1110A2A2:A2A3A3:A38位操作碼,15條二地址指令11111111:111111111111:111100000001:1110A3A3:A312位操作碼,15條一地址指令11111111:111111111111:111111111111:111100000001:111116位操作碼34課堂練習設(shè)某8位計算機指令格式如下：其中，SR為源寄存器號，DR為目的寄存器號，指令第二字為地址、數(shù)據(jù)或偏移量。注意：除了HALT指令為單字指令外，其他指令均為雙字指令；OP（4位）SR（2位）DR（2位）ADDR/DATA/DISP35下面是該模型機的指令系統(tǒng)的一部分：指令助記符功能OPMOV1 DR,DATADATA→DR0000MOV2 [ADDR],SRSR→ADDR0001ADD