指令與指令系統(tǒng)和匯編語言程序設(shè)計.ppt

1、第5章,指令、指令系統(tǒng)和匯編語言程序設(shè)計,本章主要內(nèi)容,指令格式與尋址方式概述 匯編語言程序設(shè)計,計算機系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成。硬件指由中央處理機、存儲器以及外部設(shè)備等組成的實際裝置。軟件是為便于用戶使用計算機而編寫的各種程序，是由一系列機器指令組成的。 指令是用戶使用計算機和計算機運行的最小的功能單位，一臺計算機支持（或稱使用）的全部指令構(gòu)成該計算機的指令系統(tǒng)，它對計算機本身的硬件結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度和運行性能，對用戶完成程序設(shè)計的難易程度和工作效率，有非常重要的影響，必須對設(shè)計指令系統(tǒng)的工作給以足夠的重視，慎重確定。,指令與指令系統(tǒng)概述,對指令系統(tǒng)的要求,完備性: 指令齊全，編程方便 高效性

2、：占內(nèi)存少，運行省時 規(guī)整性：指令與運算規(guī)則統(tǒng)一 兼容性：新舊機指令軟件兼容,當(dāng)前的計算機指令系統(tǒng)，從其構(gòu)成的復(fù)雜和完備程度，或者說設(shè)計中追求的不同的目標(biāo)區(qū)分，可分為 CISC 和RISC 兩類： RISC（Reduced Instruction Set Computer）,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。 CISC （Complex Instruction Set Computer）,通常稱為復(fù)雜指令系統(tǒng)的計算機，是相對于 RISC 一詞而提出來的一種說法。其特點

3、是：指令條數(shù)多，格式多樣，尋址方式復(fù)雜，每條指令的功能強，優(yōu)點是匯編程序設(shè)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并不多。,指令格式與尋址方式,指令 : 功能 定義 用法,指令格式:,操作碼 操作數(shù)地址,固定長度 可變長度 交叉安排,無地址 一地址 二地址 多地址,2. 尋址方式,外設(shè)尋址,入 / 出端口地址方式,統(tǒng)一映象方式,主存尋址,寄存器尋址,直接尋址,變址尋址,寄存器間址,間接尋址,相對尋址,基地址尋址,立即數(shù)尋址,堆棧尋址,1. 指令與指令格式,指令：功能、定義、用法,指令格式： 操作碼 操作數(shù)地址,固定長度（IBM/ PC）,擴展長度（PDP-11）,交叉安排（N

4、OVA),無地址 一地址 二地址 多地址,三種方案,按操作數(shù) 個數(shù)劃分,教學(xué)計算機的操作碼： TEC-2000 16位機采用 8 位固定長度 TEC-2000 8 位機采用 逐段擴展長度,指令格式,尋址方式（又稱編址方式）指的是確定本條指令的數(shù)據(jù)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(fù)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(shè)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的規(guī)則計算出來的一個數(shù)

5、值才是數(shù)據(jù)（或指令）的實際地址。在指令的操作數(shù)地址字段，可能要指出： 運算器中的累加器的編號或?qū)Ｓ眉拇嫫髅Q（編號） 輸入/輸出指令中用到的 I/O 設(shè)備的入出端口地址 內(nèi)存儲器的一個存儲單元（或一 I/O設(shè)備 ）的地址 有多種 基本尋址方式 和某些 符合尋址方式 ,簡介如下:,尋址方式,計算機的CPU中一般設(shè)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(jié)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。可通過指令的操作碼或另設(shè)一個字段，來區(qū)

6、分這兩種不同的尋址方式。,1、寄存器尋址、寄存器間接尋址,例：RegNo.=5， 使用 5# 累加器， 此時 5# 累加器中的內(nèi)容為 7， 可記為 (R5)=7，,對寄存器尋址方式，操作數(shù)就是這里的數(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),2、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。,則 Num 即為操作數(shù)的值。,適用于操作數(shù)固定的情況，提高了指令的執(zhí)行速度， 當(dāng)該立即數(shù)的值限定為較小值（占用位數(shù)少）時，可在第一個指令字中直接給出，否則可在第二個指令字中給出。,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。,則 Addr 為操作

7、數(shù)在存儲器中的地址。 或轉(zhuǎn)移指令等用到的指令地址。,3、直接尋址,例：Addr = 5718H ，這里的 H 表示 5718 是 16 進制的值， 可能用作下一條指令的地址； 也可能用作操作數(shù)的地址，若 5718H = 3，即內(nèi)存儲器 5718 單元中的內(nèi)容為 3， 則操作數(shù)就是這里的 3 。,內(nèi)存儲器,操作數(shù),操作數(shù)的地址由指定的變址寄存器（由Reg指定）的內(nèi)容和指令中的地址碼（Disp）相加得到。,4、變址尋址,通用寄存器,加法器,操作數(shù),存儲器,例：Disp=18H，Reg=5，(R5)=5700H 則操作數(shù)地址 = 5718H,便于對數(shù)組元素進行處理， 是計算機中常用的一種尋址方式。,

8、操作數(shù)（或指令）的地址由程序計數(shù)器 PC 的內(nèi)容（即當(dāng)前執(zhí)行指令的地址）和指令的地址碼相加得到。,5、相對尋址,例：Disp = 48H(PC) = 5600H 則實際地址 = 5648H,1)主要用于轉(zhuǎn)移指令，對浮動程序很有用。 2)位移量可正可負，通常用補碼表示。,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(fù)合尋址方式。,在計算機中設(shè)置一個專用的基址寄存器，操作數(shù)（或

9、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。,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（和次棧頂）地址完成數(shù)據(jù)的讀寫操作，故不必在指令中用操作數(shù)地址字段給堆棧地址。通常在讀寫操作的前后伴隨有計算機自動（不是用戶通過指令）修改 SP 內(nèi)容的動作，以確保按正確的 “后進先出” 原則讀

10、寫堆棧區(qū)。 例如：（SP）- 1 SP和 AR，即SP的內(nèi)容減 1 存回 SP，并送內(nèi)存地址寄存器，接下來才可以把數(shù)據(jù)寫到堆棧中。完成一次讀堆棧操作后，要接著執(zhí)行（SP）+ 1 SP 的一次自動修改 SP 內(nèi)容的操作。,8、堆棧尋址,需要注意的是，指令長度可能是一個字，也可能是兩個字或多個字，要看操作數(shù)地址字段的位數(shù)要求，由具體的情況決定。,單字指令僅用一個指令字。 雙字指令要用兩個指令字, 此時第二個指令字的內(nèi)容可能是立即數(shù)、一個直接地址或一個變址位移量。,TEC-2000 教學(xué)機的指令格式,操 作 碼,目的寄存器,源寄存器,I/O 端 口 地 址,相對轉(zhuǎn)移指令的偏移量,直接數(shù) / 內(nèi)存地址

11、 / 指令中變址偏移量,8位 4位 4位,第一個指令字分為三個主要部分。 最高 8 位是操作碼。從這個意義上講, 教學(xué)機的基本指令是固定長度的操作碼結(jié)構(gòu), 最多支持 256 條基本指令。 最低的 8 位有多種用法：給出 1 或 2 個寄存器的編號，或入/出端口的地址，或用于給出相對轉(zhuǎn)移指令的偏移量。,操 作 碼,目的寄存器,源寄存器,I/O 端 口 地 址,相對轉(zhuǎn)移指令的偏移量,直接數(shù) / 內(nèi)存地址 / 指令中變址偏移量,8位 4位 4位,TEC-2000 教學(xué)機的指令格式,TEC-2000 16位教學(xué)計算機指令舉例,00 ADD DR, SR 44 JRC adr 84 PSHF 01 SU

12、B DR, SR 45 JRNC adr 8C POPF 02 AND DR, SR 46 JRZ adr 8F RET 03 CMP DR, SR 47 JRNZ adr 04 XOR DR, SR 41 JR adr 05 TEST DR, SR 80 JMPA adr 06 OR DR, SR CE CALA adr 07 MVRR DR, SR 82 IN i/o port 08 DEC DR 86 OUT i/o port 09 INC DR 0A SHL DR 0B SHR DR 88 MVRD DR, data 85 PUSH DR 81 LORR DR, SR 87 POP D

13、R 83 STRR DR, SR,教學(xué)機基本指令,數(shù)據(jù)移動指令 MVRR、MVRD、LDRR、STRR、PUSH、POP、PSHF、POPF、IN、OUT 算術(shù)邏輯指令 ADD、SUB、AND、XOR、TEST、CMP、OR、DEC、INC、SHL、SHR 控制轉(zhuǎn)移指令 CALA、RET、JMPA、JR、JRC、JRNC、JRZ、JRNZ,TEC-2000 16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 指令分組 功能說明 00000000 DRSR ADD DR，SR 2 * A DRDR+SR 00000001 DRSR SUB DR，SR 2 * A DRDR-SR 00

14、000010 DRSR AND DR，SR 2 * A DRDR and SR 00000011 DRSR CMP DR，SR 2 * A DR-SR 00000100 DRSR XOR DR，SR 2 * * A DRDR xor SR 00000101 DRSR TEST DR，SR 2 * * A DR and SR 00000110 DRSR OR DR，SR 2 * * A DRDR or SR 00000111 DRSR MVRR DR, SR 2 A DRSR 00001000 DR0000 DEC DR 1 * A DRDR-1 00001001 DR0000 INC DR 1

15、 * A DRDR+1 00001010 DR0000 SHL DR 1 * A DR,CDR*2 00001011 DR0000 SHR DR 1 * A DR,CDR /2 01000001 OFFSET JR ADR 1 A 無條件跳轉(zhuǎn) 01000100 OFFSET JRC ADR 1 A C=1 時跳轉(zhuǎn) 01000101 OFFSET JRNC ADR 1 A C=0 時跳轉(zhuǎn) 01000110 OFFSET JRZ ADR 1 A Z=1 時跳轉(zhuǎn) 01000111 OFFSET JRNZ ADR 1 A Z=0 時跳轉(zhuǎn),TEC-2000 16位機基本指令系統(tǒng),指令格式 匯編語句 操作

16、數(shù)個數(shù) CZVS 指令分組 功能說明 10000000 0000000 JMPA ADR 1 B 無條件跳到ADR ADR（16位） 10000001 DRSR LDRR DR，SR 2 B DRSR 10000010 I/O PORT IN I/O PORT 1 B R0I/O PORT 10000011 DRSR STRR DR，SR 2 B DRSR 10000100 00000000 PSHF 0 B FLAG 入棧 10000101 0000SR PUSH SR 1 B SR 入棧 10000110 I/O PORT OUT I/O PORT 1 B I/O PORTR0 10000

17、111 DR POP DR 1 B 出棧到 DR 10001000 DR0000 MVRD DR, DATA 2 B DRDATA DATA（16位） 10001100 00000000 POPF 1 * * B FLAG出棧 10001111 00000000 RET 1 B 子程序返回 11001110 00000000 CALA ADR 1 D 調(diào)用子程序 ADR（16位）,教學(xué)機尋址方式,立即數(shù)尋址 MVRD DR, DATA 寄存器尋址 MVRR R1,R2 寄存器間接尋址 LDRR DR,SR 直接尋址 CALA ADR 相對尋址 JRC ADR,本章主要內(nèi)容,指令格式與尋址方式概

18、述 匯編語言程序設(shè)計,匯編語言程序設(shè)計,機器語言是計算機硬件能夠直接識別和運行的指令的集合，是二進制碼組成的指令，對程序設(shè)計人員來說很難以接受，直接用機器指令設(shè)計程序?qū)嵲谑翘щy了。 匯編語言大體上是對計算機機器語言的符號化處理的結(jié)果，再增加一些為方便程序設(shè)計而實現(xiàn)的擴展功能。匯編語言至少有2大優(yōu)點。首先實現(xiàn)用英文單詞或其縮寫形式替代二進制的指令代碼，更容易記憶和理解；其次可以選用英文單詞來表示程序中用到的數(shù)據(jù)（常量和變量），并且避免程序設(shè)計人員親自為這些數(shù)據(jù)分配存儲單元，而是留給匯編程序自己去安排，這樣的語言就達到了實用的最基本的標(biāo)準(zhǔn)。如果在此基礎(chǔ)上，再在支持程序的不同結(jié)構(gòu)特性（如循環(huán)和重復(fù)

19、執(zhí)行等結(jié)構(gòu)），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，使用這個語言設(shè)計程序就更為方便了。匯編語言程序經(jīng)匯編器程序翻譯為機器語言程序后方可運行。,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，更多的是是為方便程序設(shè)計人員寫出自己解決問題的處理方案和解題過程的程序。目前常用的高級語言有BASIC、C、C+、,PASCAL、JAVA、PROLOG、VHDL等幾百種。用這些語言設(shè)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編譯成機器語言程序，或者首先編譯成匯編程序后，再經(jīng)過匯編操作后得到機器語言程序，才能在計算機的硬

20、件系統(tǒng)上予以執(zhí)行；也可以由一個叫做解釋執(zhí)行程序的軟件，逐條取來相應(yīng)高級語言程序的每個語句并直接控制其完成執(zhí)行過程，而不是把整個程序編譯為機器語言程序之后再一起交給硬件系統(tǒng)加以執(zhí)行。,教學(xué)計算機中的匯編程序的例子,例1：設(shè)計一個程序，在屏幕上輸出顯示一個字符6。 A 2000 ;地址從16進制的2000（內(nèi)存RAM區(qū)的起始地址）開始 2000: MVRD R0,0036 ;把字符6的ASCII碼送入R0 2002: OUT 80 ;在屏幕上輸出顯示字符6，80為串行接口地址 2003: RET ;每個用戶程序都必須用RET指令結(jié)束 2004： （按回車鍵即結(jié)束源程序的輸入過程）,教學(xué)計算機中的匯

21、編程序的例子,例2：計算1到10的累加和。 A 2060 MVRD R1，0000 ；置累加和的初值為0 MVRD R2，000A ；最大的加數(shù) SUB R3，R3 ；預(yù)置參加累加的數(shù)為0 (2065) INC R3 ；得到下一個參加累加的數(shù) ADD R1， R3 ；累加計算 CMP R3， R2 ；判斷是否累加完 JRNZ 2065 ；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(jié)果。,教學(xué)計算機中的匯編程序的例子,例3：設(shè)計一個程序，用次數(shù)控制在終端屏幕上輸出0到9十個數(shù)字符。 A 2020 MVRD R2，000A ；送入輸出字符的個數(shù) MVRD R0，0030 ；

22、0字符的ASCII碼 (2024) OUT 80 ；輸出保存在R0低位字節(jié)的字符 DEC R2 ；輸出字符個數(shù)減1 JRZ 202E ；判全部字符輸出完否,已完,則轉(zhuǎn)移到程序結(jié)束處 PUSH R0 ；未完，保存R0的值到堆棧中 (2028) IN 81 ；查詢接口狀態(tài)，判字符的串行輸出過程結(jié)束否 SHR R0 ； JRNC 2028 ；未完成，則循環(huán)等待 POP R0 ；已完成，準(zhǔn)備繼續(xù)輸出下一字符，從堆?；謴?fù) ; R0 的值 INC R0 ；得到下一個要輸出的字符 JR 2024 ；轉(zhuǎn)去輸出字符 (202E) RET,教學(xué)計算機中的匯編程序的例子,例4：從鍵盤上連續(xù)鍵入多個屬于0到9的數(shù)字符

23、并在屏幕上顯示，遇非數(shù)字符結(jié)束程序。從地址2040開始輸入下列程序: A 2040 MVRD R2，0030 ；用于判數(shù)字符的下界值 MVRD R3，0039 ；用于判數(shù)字符的上界值 (2044) IN 81 ；判鍵盤上是否按了一個鍵 SHR R0 ；即串行口是否有了輸入的字符 SHR R0 JRNC 2044 ；尚沒有輸入則循環(huán)測試 IN 80 ；把輸入字符讀到R0低位字節(jié) MVRD R1, 00FF AND R0, R1 ；將R0的高位字節(jié)清0 CMP R0， R2 ；判輸入的字符 字符0否 JRNC 2053 ；是，則轉(zhuǎn)到程序結(jié)束處 CMP R3， R0 ；判輸入的字符 字符9否 JRN

24、C 2053 ；是，則轉(zhuǎn)到程序結(jié)束處 OUT 80 ；輸出剛輸入的數(shù)字符 JMPA 2044 ；轉(zhuǎn)去程序前邊2044處等待輸入下一個字符 (2053) RET,教學(xué)計算機中的匯編程序的例子,例5：設(shè)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(zhuǎn)換為小寫字母后再寫回存儲器的原存儲單元。 E 20F0 （送入將被顯示的6個字符AF到內(nèi)存20F0開始的存儲區(qū)域中） 41 42 43 44 45 46 A 2080 MVRD R3， 0006 ；指定被讀數(shù)據(jù)的個數(shù) MVRD R2， 20F0 ；指定被讀、寫數(shù)據(jù)內(nèi)存區(qū)首地址 (2084) LDRR R0

25、, R2 ；讀內(nèi)存中的一個字符到R0寄存器 CALA 2100 ；調(diào)用子程序，入口地址為2100， ；完成顯示、字符轉(zhuǎn)換和寫回內(nèi)存的功能 DEC R3 ；檢查輸出的字符個數(shù) JRZ 208B ；完成輸出則結(jié)束程序的執(zhí)行過程 INC R2 ；未完成，修改內(nèi)存地址 JR 2084 ；轉(zhuǎn)移到程序的2084處，循環(huán)執(zhí)行規(guī)定的處理 (208B) RET A 2100 ；輸入用到的子程序到內(nèi)存2100開始的存儲區(qū) OUT 80 ；輸出保存在R0寄存器中的字符 MVRD R1， 0020 ；轉(zhuǎn)換保存在R0中的大寫字母為小寫字母 ADD R0， R1 STRR R2, R0 ；寫R0中的字符到內(nèi)存，地址同LD

26、RR所用的地址 (2105) IN 81 ；測試串行接口是否完成輸出過程 SHR R0 JRNC 2105 ；未完成輸出過程則循環(huán)測試 RET ；結(jié)束子程序執(zhí)行過程，返回主程序 運行過程中，可以直接看到屏幕上顯示的內(nèi)容，運行過后，再用D 20F0命令看內(nèi)存的20F0區(qū)域中保存的運行結(jié)果， 6個大寫的英文字母已經(jīng)被修改為小寫字母： 0061 0062 0063 0064 0065 0066,教學(xué)計算機中的偽指令,寫在程序中的、指示匯編程序如何對該程序執(zhí)行匯編操作的命令叫做偽指令。例如： ORG ： ORG exp 指定程序執(zhí)行的開始地址 END ： 指定程序執(zhí)行的結(jié)束地址 EQU ： var E

27、QU exp 定義變量的值 var = exp DW ： adr DW exp 以為首地址在存儲器中 寫入指定的值 BLK ： BLK n 保留 n 個存儲單元,P152 題11: 用教學(xué)機的指令系統(tǒng)設(shè)計程序，實現(xiàn)從鍵盤讀人四位無符號的整數(shù)，到計算機內(nèi)轉(zhuǎn)換成二進制數(shù)存于R0，并輸出到屏幕顯示。,MVRD R2, 0000 ; 存放結(jié)果(累加和) CALA READ-IN ；讀鍵盤上千位值,返回在R0 MVRD R3, 03E8 ；1000D 對應(yīng) 03E8 H ADD1: ADD R2, R3 ；將千位值加在結(jié)果上 DEC R0 ；以鍵值為加的次數(shù) JRNZ ADD1 CALA READ-IN ；讀鍵盤上百位值,返回在R0 MVRD R3, 0064 ；100D 對應(yīng) 0064 H ADD2: ADD R2, R3 ；將百位值加在結(jié)果上 DEC R0 ；以鍵值為加的次數(shù) JRNZ ADD2 CALA READ-IN ；讀鍵盤上十位值,返回在R0 MVRD R3, 000A ；10D 對應(yīng) 000AH ADD3: ADD R2, R3 ；將十位值加在結(jié)果上 DEC R0