計算機組成原理A

計算機組成原理A

西南交通大學(xué)

信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院

2006年2月

第3章指令系統(tǒng)

§3.1指令格式

§3.2指令類型

§3.3尋址技術(shù)

§3.4堆棧與堆棧操作

§3.5指令系統(tǒng)實例

/占總工、［a吟“、/.不若HIKI▲，，"田

第3章指令系統(tǒng)

本章重點：

1.理解指令的基本格式和基本操作種類，理解擴展操

作碼方法；

2,掌握基本數(shù)據(jù)尋址方式和有效地址的確定方法，搞

清楚每一種基本尋址方式的特點；

3.存儲器堆棧的概念及堆棧的進、出棧操作

金，K士大］京金白工、IX，，、A口+HTPRA，，土占4

如u早口曰q不可L

第3章指令系統(tǒng)

指令：執(zhí)行某種基本操作的命令（如：力口、減）。

指令是計算機硬件能夠識別并直接執(zhí)行的操作命令,

指示計算機硬件完成指定的基本操作。

程序：由一系列有序指令構(gòu)成。

指令系統(tǒng)：一臺計算機能執(zhí)行的全部的指令的集合。

屋”指令系統(tǒng)是軟件和硬件的主要界面。

是設(shè)計計算機硬件的一個基本依據(jù)，

是軟件設(shè)計者則編制程序的基礎(chǔ)。

如u早口曰q不可L

§3.1指令格式

3.1.1機器指令的基本格式

0P:操作碼字段，指出所要進行的操作；

A:地址碼字段，指出操作數(shù)和操作結(jié)果的地址。

指令的長度：

1）定長.指令系統(tǒng)中所有的指令其長度都一樣。

2）變長.各指令的長度可以不同。

如u早口曰q不可L

3.1.2地址碼結(jié)構(gòu)

地址碼字段可以是單地址、雙地址、三地址或零地址等格式。

單地址指令I(lǐng)OP

如：ACHAC)0P(A)AC為累加器，隱含方式

A-OP(A)

■■■■■■■■■■■■■■I■■■■■■■■■■■■■■!■■■!

■■■■■■■■■■■■■■I■■■■■■■■■■■■■■!■■■■

■■■■■■'1■■■■■■■)■■■■■■1■■■■■■■!■■■■

■■■■■7.1?■■■■■■!■■■■■FA?■■■■■■!■■■■

■■■■?，??■■■■

多地址指令OP■■■■■■■?■■■■■■)■■■■■■■■■■■■■■I■■■■

如：AqVHAJOPfA^

零地址指令：操作數(shù)在棧頂和次棧頂中，或隱含指定。

“、/.不若HiW▲，，"田

如u早口曰q不可L

例：完成(X)+(Y)-Z的操作

用一條三地址指令即可……

ADDX,Y,Z；

用二條二地址指令實現(xiàn)--

ADDX,Y；(X)+(Y)-X

MOVZ,X；(X)-Z

用三條一地址指令實現(xiàn)……

LDAX；(X)-ACLDA意為LoadAC

ADDY；(AC)+(Y)-AC

STAZ；(X)-ZSTA意為StoreAC

“、/.不若r/〃/Z7HiW▲，，"田

如u早口曰q不可L

地址段&的長度(N)與存儲器容量(M)的關(guān)系:

N

M=2IOPML......................

i內(nèi)存地址?

存在問題：①地址段位數(shù)增長一指令過長;

②程序設(shè)計的靈活性差。

???需要采用好的尋址技術(shù)！

“、/.不若r/〃/Z7HiW▲，，"田

如u早口曰q不可L

3.1.3指令的操作碼OP|A

1.規(guī)整型（定長操作碼、變長指令碼）

n位操作碼最多可表示2n種計算機指令，

特點：操作碼字段規(guī)整，譯碼簡單、迅速。

指令的長度隨操作數(shù)個數(shù)的不同而變化。

（適于大、中、小型機）

“、I.々4r￥nActr-P-HEA”生田

如u早口曰q不可L

例：IBM370機的指令格式

指令可分為幾種不同的長度不論指令的長度為多少位,

其中操作碼字段一律都是8位。

如u早口曰q不可L

2,非規(guī)整型（變長操作碼、定長指令碼）

可采用擴展操作碼技術(shù)。

0000xxxxxxxxxxxx)

0001xxxxxxxxxxxxI4位操作碼

……|15條三地址指令

1110XXXXXXXXXXXXJ

11110000xxxxxxxx\

11110001xxxxxxxxI8位操作碼

……I15條二地址指令

11111110XXXXXXXXJ

111111110000xxxx

111111110001xxxx12位操作碼

??????15條一地址指令

111111111110xxxx

1111111111110000

mimimioooi16位操作碼

??????16條零地址指令

111111111111nil

如u早口曰q不可L

例：PDP-11機的指令格式

士大？吊—占白工、【小e“、/.不若r/〃/Z7T>HiW▲，，"田

如u早口曰q不可L

§3.2指令類型—A1

與機器的用途、性能的總體要求有關(guān)。

通用型計算機其基本的操作種類有：

＞數(shù)據(jù)傳送類指令

＞運算類指令

＞程序控制類指令

＞輸入輸出類指令（非必備）

其它種類指令還有：

＞串操作指令

＞數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換指令

＞處理機控制指令

＞特權(quán)指令

如u早口曰q不可L

§3.2指令類型

3.2.1數(shù)據(jù)傳送類指令

1.一般傳送指令(復(fù)制)

把數(shù)據(jù)從源地址復(fù)制到目的地址中去。

常用助記符：MOV,LOAD(LD),STORE

類型：寄存器一寄存器

寄存器一主存

主存一寄存器

主存一主存

2,堆棧操作指令

進棧PUSH、出棧POP,在程序中它倆往往成對出現(xiàn)。

3.數(shù)據(jù)交換指令

常見的有字節(jié)交換、字交換、高低半字節(jié)之間交換等。

常用助記符：XCHG

如u早口曰q不可L

3.2.2運算類指令

1.算術(shù)運算類指令

+,一,X,/,加1,減1，向量運算等。

ADD,SUB,MUL,DIV,INC,DEC,...(各種運算不一定都具備)

2.邏輯運算類指令

與、或、取反、異或等(AND,OR,NOT,XOR,…)。

3.移位類指令

算術(shù)移位(x2,+2)

還有邏輯移位、循環(huán)移位等。

注：算邏運算除了產(chǎn)生運算結(jié)果外，還產(chǎn)生一些狀態(tài)信息記錄在

狀態(tài)寄存器PSW的標志位中。

例如：進位、溢出、全零、正負和奇偶標志等。

如u早口曰q不可L

3.2.3程序控制類指令

1.轉(zhuǎn)移指令

（1）無條件轉(zhuǎn)移JMp"A

功能：PC-A（PC為程序計數(shù)器）

（2）條件轉(zhuǎn)移

如：JCA（進位位標志C=1時轉(zhuǎn)）

2.子程序調(diào)用指令轉(zhuǎn)子時要先保存好

CALLSUB_A當(dāng)前的PC值（通常是PC

值壓入堆棧），然后再

PC-SUB_A；

3.返回指令

返回時要恢復(fù)PC,

返回主程序

RET把棧中原PC的值彈出送

RETI中斷返回給PC。

鼠一K士我?不一必在白上一什屈?！啊?.不若HiW▲，，"田

如u早口曰q不可L

3.2.4輸入輸出類指令

實現(xiàn)CPU與/0設(shè)備之間的信息傳送。

'總］注：輸入、輸出都是對CPU而言的。

例如輸入，指從I/O到CPU的數(shù)據(jù)傳送。

ML7K士大濟―小金白a1什曲“、/.不若r/〃/Z7HIKI▲，，"田

如u早口曰q不可L

3.2.4輸入輸出類指令

輸入指令如：

INA,端口地址；A是CPU中的寄存器

輸出指令如：

OUT端口地址,A;A是CPU中的寄存器

在I/0設(shè)備獨立編址的計算機中，指令系統(tǒng)設(shè)有專門的輸入/

輸出指令(IN/OUT)；而在I/O設(shè)備與內(nèi)存統(tǒng)一編址的計算機

中，輸入輸出由傳送指令來實現(xiàn)，不設(shè)專門的輸入/輸出指令。

力士大？吊—*但白工、［X―什q小曲“、［.gin〃口r-p.r^TfffA,,"冷

如u早口曰q不可L

思考題：P781,2,5,6

習(xí)題：P783,4

7K士大漏一小金白*/a1什曲“、/.不若r/〃/Z7T>HIKI▲，，"田

如u早口曰q不可L

§3.3尋址技術(shù)

尋址：1）指令尋址

2）數(shù)據(jù)尋址

指令尋址：尋找下一條將要執(zhí)行的指令地址。

通常采用順序?qū)ぶ罚樞驁?zhí)行）或跳躍尋址（轉(zhuǎn)移）

數(shù)據(jù)尋址：尋找操作數(shù)的地址。

（本章重點）

尋址與存儲單元的編址有關(guān)

如u早口曰q不可L

3.3.1編址

1.編址單位

常見的編址單位有：

按字編址：編址單位:計算機字長

按字節(jié)編址：編址單位=1個字節(jié)

按位編址：編址單位=1bit

2.指令中地址碼的位數(shù)

主存容量越大，所需的地址碼位數(shù)越長;

編址單位越小，所需的地址碼位數(shù)越長。

士*?京一金白工、［a、［.g工n〃口HE），，"今上

如u早口曰q不可L

3.3.2基本的數(shù)據(jù)尋址方式

數(shù)據(jù)尋址方式：由指令中形式地址確定有效地址的方法。

以單操作數(shù)為例

“」存儲器地址

無尋址技術(shù)時:OP|A十二1（宥效地址）J

有尋址技術(shù)時:OP羋jA十」-形式地址」

丁式］

形式地址：指令中地址字段給出的地址。

（通常不能直接用來訪問存儲器）

有效地址：形式地址經(jīng)過一定的計算而得到的能直接訪問存

儲器的地址。

形式地址——史3——^有效地址

如u早口曰q不可L

采用尋址方式的原因：

①操作數(shù)地址表示多樣化需要;

②壓縮操作數(shù)地址字段的長度。

*“-皿目AN，/必1升44曲“、/.不若r/〃/Z7HiW▲，，"田

如u早口曰q不可L

(1)立即尋址(ImmediateAddressing)

指令中的地址字段存放的就是操作數(shù)。

OPM操作數(shù)(取指令的同時取出數(shù)據(jù))

尋址方式

力士大？吊—*但白工、［X―什q小曲“、［.gin〃口r-p.r^TfffA,,"冷

如u早口曰q不可L

(2)寄存器尋址(RegisterAddressing)

操作數(shù)在某一通用寄存器（在CPU）中。

力士大？吊—*但白工、［X―什q小曲“、［.gin〃口r-p.r^TfffA,,"冷

如u早口曰q不可L

(3)直接尋址(DirectAddressing)

適合于訪問固定主存單元或外部設(shè)備接口中的寄存器;

地址碼字段較長。例如,64K尋址空間需16位。

“、/.不4T//7/Z7HiW▲，，"田

如u早口曰q不可L

(4)間接尋址(IndirectAddressing)

需訪問兩次主存才能取出操作數(shù)。

KH*7V席—*但RN，/皿1什4小曲“、/.不若r/〃/Z7HiW▲，，"田

如u早口曰q不可L

一級間接尋址三級間接尋址

主存儲器主存儲器

(b)

EA=(A)EA=(((A)))

S=((A))S=((((A))))

特點:

擴大了尋址范圍，可用指令的短地址訪問大容量的主存空

間；

訪問速度較慢。

據(jù)二K士大？京金白上一山正土

“、/.不若r/〃/Z7HiW▲，，"田

如u早口曰q不可L

(5)寄存器間接尋址(RegisterIndirectAddressing)

寄存器中存放操作數(shù)的有效地址。

OP???MRi

形式地址短，但可訪問較大的內(nèi)存空間。

“、/.不若r/〃/Z7HiW▲，，"田

如u早口曰q不可L

(6)變址尋址(IndexedAddressing)

有效地址=變址寄存器的內(nèi)容+形式地址(位移量)O

EA=(Rx)+A

主存儲器

IR

Rx

適用于對數(shù)據(jù)塊操作

k士公金白工、［X―什q小曲“、1.gin〃口r-p-r^TmA,,"冷

X

盡

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E

C

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笠

一

，H

g

一

CS

一

也

VK

LU

如u早3日q不可L

(7)基址尋址(BasedAddressing)

有效地址=基址寄存器的內(nèi)容+形式地址（位移量

EA=(Rb)+D

“、/.不若r/〃/Z7HiW▲，，"田

如u早3日q不可L

?變址尋址與基址尋址的區(qū)別:

變：通常由變址寄存器提供修改量，

形式地址為基準地址，

面向用戶（例如向量運算）;

基：基址寄存器提供基準地址，

形式地址為位移量，

面向操作系統(tǒng)（例如程序的動態(tài)重定位）。

展二K土大濟一迎金白工、/a的“，L3T門〃口r-P-Hirn』

如u早3日q不可L

⑻相對尋址

主存儲器

EA=(PC)+D

位移量D指出的是操作數(shù)和現(xiàn)行指令之間的相對位置。

“、/.不若r/〃/Z7HiW▲，，"田

如u早3日q不可L

⑼頁面尋址

將主存空間分頁，可解決地址碼位數(shù)與主存訪問范圍的矛盾。

例：某機主存為64K,將其劃分為256頁，則頁面地址從00H?FFH；

每頁有64K/256=256單元，頁內(nèi)單元序號從00H?FFH。

“、/.不若r/〃/Z7HiW▲，，"田

如u早3日q不可L

⑼頁面尋址

頁面尋址又可以分成三種不同的方式：

1）基頁尋址

EA=0/7A操作數(shù)S在零頁面中。實際上就是直接尋址。

2）當(dāng)前頁尋址

EA=（PC）H〃A操作數(shù)S與指令本身處于同一頁面中。

3）頁寄存器尋址

頁面地址取自頁寄存器，與形式地址相拼接形成有效地址。

土*?京一金白工、［a、［.g工n〃口HE），，"今上

如u早3日q不可L

⑼頁面尋址

頁面尋址又可以分成三種不同的方式:

主在

0

0頁內(nèi)地址操作數(shù)

(b)

主存

PCPCHPCL

當(dāng)前頁面頁內(nèi)地址操作數(shù)

⑹

頁寄存器頁面號

頁面號頁內(nèi)地址操作數(shù)

H*代田—*上-"4X2“、/.ge)“心Him▲”"田

如u早3日q不可L

以當(dāng)前頁尋址為例:

主存儲器指令寄存器

OP38

0頁

1頁

EA

2F38-------》指令

」2F38

指令所在災(zāi)

所在頁

2F85

255頁程序計數(shù)器

“、/.不若r/〃/Z7HiW▲，，"田

木u早3日q不可L

（10）其它尋址

位尋址：能尋址到位，一般用于專門的位操作指令。

塊尋址：對連續(xù)的數(shù)據(jù)塊進行尋址。

一般要指明塊首址和塊長（或）末址。

堆棧尋址：由堆棧指針SP隱含指定，不需要指令給出地址碼。

存儲器堆棧：內(nèi)存中一個連續(xù)的存儲區(qū)，按后進先出方式存取。

內(nèi)存SP為棧頂指針

基本操作：1）壓入

SP2）彈出

如u早3日q不可L

尋址方式的表示方式

1）顯式：在指令中設(shè)置專門的尋址方式字段。

OP：M:A

2）隱式：由指令的操作碼隱章約定址方仆

二:〔形式地址〕

使用約定的

尋址方式

一條指令中的各地址碼可采用不同的尋址方式。

例如：MOVAX,[BX]

器間接跡二

KH*7V席—*但RN，/皿1什4小曲“、/.不若r/〃/Z7HiW▲，，"田

思考題：P787,8,16

習(xí)題：P7810,12

ML7K土大濟―小金白*/a1什曲“、/.不若r/〃/Z7T>HIKI▲，，"田

如u早3日q不可L

3.3.4變型或組合尋址方式

1.自增型寄存器間址和自減型寄存器間址

(1)自增尋址(Ri)+

EA=(印)

Ri-(Ri)+dRi

先確定EA后遞增Ri

(2)自減尋址-(Ri)

Ri-(Ri)-d

EA=(Ri)

先遞減Ri后確定EA.

Ri

“、/.不若r/〃/Z7HiW▲，，"田

如u早3日q不可L

2.擴展變址方式

(1)先變址后間址(前變址方式)

EA=(A+(Rx)),

操作數(shù)S=((A+(Rx)))o

(2)先間址后變址(后變址方式)

EA=(A)+(Rx),

操作數(shù)S=((A)+(Rx))o

如u早3日q不可L

3.基址變址尋址

EA=(Rb)+(Rx)+D

其中：Rb為基址寄存器，Rx為變址寄存器，D為位移量。

位移量D在指令一旦確定后不能再修改；

基址和變址寄存器中的內(nèi)容可以改變。

ML7K土大濟―小金白a1什曲“、/.不若r/〃/Z7HIKI▲，，"田

如u早3日q不可L

常見尋址方式小結(jié)

尋址方式通俗解釋

⑴立即尋址操作數(shù)在指令（的地址字段）中。

⑵寄存器尋址操作數(shù)在CPU的某一寄存器中。

(3)寄存器間址操作數(shù)在內(nèi)存，其地址在CPU的某一寄存器中。

(4)直接尋址操作數(shù)在內(nèi)存，其地址由指令直接給出。

⑸間接尋址操作數(shù)在內(nèi)存，指令中給出操作數(shù)地址的地址（操

作數(shù)的地址也在內(nèi)存）。

(6)變址、基址、操作數(shù)在內(nèi)存，其內(nèi)存地址為

相對尋址Rx或Rb或PC的值+指令中給的位移量。

KH*7V席—*但RN，/皿1什4小曲“、/.不若HiW▲，，"田

如u早3日q不可L

本章重點：

1.理解指令的基本格式和基本操作種類，理解擴展操

作碼方法；

2,掌握基本數(shù)據(jù)尋址方式和有效地址的確定方法，搞

清楚每一種基本尋址方式的特點；

3.存儲器堆棧的概念及堆棧的進、出棧操作

金，K土大］京金白工、IX，，、I.g￥H4口fHTPRA，，"4

如u早3日q不可L

§3.4堆棧與堆棧操作

堆棧：“后進先出”（LIF0）的存儲區(qū)。

3.4.1堆棧結(jié)構(gòu)

＞寄存器堆棧（硬堆棧）

＞存儲器堆棧（軟堆棧）

“、/.不若r/〃/Z7HiW▲，，"田

如u早3日q不可L

1,寄存器堆棧（硬堆棧）

可由移位寄存器組構(gòu)成。（從圖中縱向看）

KH*7V席—*但RN，/皿1什4小曲“、/.不若r/〃/Z7HiW▲，，"田

如u早3日q不可L

2.存儲器堆棧（軟堆棧）

從主存中劃出一段區(qū)域來作

堆棧，棧底固定，棧頂浮動。

由堆棧指針寄存器SP指示當(dāng)

前棧頂?shù)奈恢谩?/p>

自底向上生成堆棧，棧底地址大于棧頂?shù)刂?，通常棧指?/p>

始終指向棧頂?shù)臐M單元。

“、/.不若r/〃/Z7HiW▲，，"田

如u早3日q不可L

3.4.2堆棧操作

進棧操作(壓入)：

(SP)-1-SP修改棧指針

(A)一(SP)將A中的數(shù)據(jù)壓入堆棧

“、/.不若r/〃/Z7HiW▲，，"田

如u早3日q不可L

3.4.2堆棧操作

出棧操作(彈出)：

((SP))一A將棧頂內(nèi)容彈出，送入A中

(SP)+1-SP修改棧指針

“、/.不若r/〃/Z7HiW▲，，"田

如u早3日q不可L

堆棧的應(yīng)用：

在一般計算機中，堆棧主要用來暫存中斷斷點、子程序調(diào)用時的

返回地址、狀態(tài)標志及現(xiàn)場信息等，也可用于子程序調(diào)用時參數(shù)的傳

遞等。

“、/.不若r/〃/Z7HiW▲，，"田

如u早3日q不可L

§3.5指令系統(tǒng)實例(側(cè)重于8086/8088尋址方式)

3.5,0與8086/8088相關(guān)的預(yù)備知識

1.8086/8088的結(jié)構(gòu)

n外部總線

，總線接口部件

指

令

隊(BIU)

列

>

EU

控制鵠

微操作信號L執(zhí)行部件

|(EU)

圖2-128086內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

K土八C京」一小金白工、【小一"4型“、/."r/口Z"#HrmA，，ML

如u早3日q不可L

3.5,0與8086/8088相關(guān)的預(yù)備知識

2.8086/8088存儲器的分段管理

[[外部總線

20位地址緩

邏輯仁

________16位數(shù)據(jù)線

UCPU內(nèi)總線

0

EU

控制器

微操作信號

庭寄存器|

±1~圖2-138086/8088主存物理地址的形成

圖2-128086內(nèi)部結(jié)構(gòu)框圖

分段管理的目的是使指令可以訪問較大的內(nèi)存空間。

士大？吊q占白工、【小e“、/.不若r/〃/Z7HiW▲，，"田

如u早3日q不可L

3.5,0與8086/8088相關(guān)的預(yù)備知識

3.段寄存器

CS：代碼段寄存器

DS：數(shù)據(jù)段寄存器

指

SS：堆棧段寄存器令

隊

ES：附加段寄存器列

通常將需執(zhí)行的程序各部分（指令代碼、數(shù)據(jù)、堆棧等）分別放在指

定的某個段中。當(dāng)CPU訪問某個主存單元（如取指令或存取操作數(shù)）時，

就必須指明（或默認使用）哪個段寄存器提供該單元的段基值，并給出

該單元在這個段內(nèi)的偏移量。

如u早3日q不可L

3.5,18086/8088指令系統(tǒng)特征

二地址指令系統(tǒng)。（一條指令里最多有兩個地址）

操作碼：定長操作碼，變長指令碼。

地址碼：寄存器、立即、寄存器間址、基址、變址等尋址。

對于操作數(shù)在內(nèi)存的尋址方式，有效地址EAW物理地址!

I形式I______A|有效地址EA_______J_I___k物理地址

I地址I（16位）4-1（20位）

段首址

（20位）

對于二地址指令：其中一個尋址方式可選，

另一個只能是寄存器尋址。

士大？吊q占白工、【小e“、/.不若HiW▲，，"田

如u早3日q不可L

3.5.2尋址方式

以二地址指令為例，指令格式為OPA1A2

例如：ADDBX,5

基本尋址方式匯編符號例子尋找操作數(shù)(的地址)的過程

寄存器尋址ADDBX,5EA=BX,即數(shù)據(jù)在寄存器中

寄存器間址ADD[BX],AXEA=(BX)

立即尋址ADDBX,5操作數(shù)在指令中

直接尋址ADD[100],AXEA=100

間接尋址

變(基)址尋址ADD[BX+20],AXEA=(BX+20)

自相對LOOPL1EA=(IP)+位移量

RU早：J日q刁\三兒

例：MOVAL,AH;AL—(AH)8位

SUBAX,BX;AX—(AX)-(BX)16位

INCCX;CX—(CX)+116位

20位地址繞0：夕卜部趨緩

卷續(xù)控制逮姆

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