[工學(xué)]第四章指令系統(tǒng)

1、.第四章 指令系統(tǒng)一、本章主要內(nèi)容內(nèi) 容要 求指令格式（含定長操作碼指令格式和擴(kuò)展操作碼指令格式）*尋址方式（數(shù)據(jù)尋址和指令尋址，常見尋址方式的特點(diǎn)和表示方法）*CISC和RISC的基本概念*二、知識(shí)結(jié)構(gòu)尋址方式存儲(chǔ)器尋址定長操作碼不定長操作碼操作碼指令格式操作數(shù)操作數(shù)的個(gè)數(shù)立即數(shù)尋址直接尋址間接尋址寄存器間接尋址變址尋址寄存器尋址系統(tǒng)尋址基址尋址 三、具體內(nèi)容介紹（一） 指令格式1. 指令的基本格式：機(jī)器內(nèi)部的指令格式由兩大字段組成，操作碼和操作數(shù)；l 操作碼規(guī)定本條指令所要進(jìn)行的操作或完成的功能；l 操作數(shù)字段給出本條指令操作的數(shù)據(jù)對(duì)象以及下一條將要執(zhí)行的指令的地址，操作數(shù)字段有可能包含尋

2、址方式字段。l 指令系統(tǒng)中各指令的長度可以相同，也可以不同，一般取機(jī)器字長的倍數(shù)。操作碼 尋址1 數(shù)1 尋址I 數(shù)i 尋址n 數(shù)n2. 定長操作碼指令格式：所有指令的操作碼位數(shù)相同。重點(diǎn)掌握內(nèi)容：操作碼位數(shù)和指令總統(tǒng)所含指令條數(shù)的關(guān)系。n位操作碼，指令系統(tǒng)最多2n條指令；反之，指令系統(tǒng)有n條指令，至少log2n位操作碼。3. 擴(kuò)展操作碼指令格式在高級(jí)語言中，各語句的使用頻率相差較大，比如C語言中，goto語句是限制使用的，一般程序不會(huì)使用goto語句，而幾乎所有的程序都需要多次使用賦值語句。同樣，指令系統(tǒng)中各條指令的使用頻率也不一定相同，定長操作碼指令給所有指令分配相同位數(shù)的操作碼，使得極少使

3、用的指令和經(jīng)常使用的指令具有相同位數(shù)的操作碼，對(duì)操作碼的譯碼效率會(huì)產(chǎn)生影響。擴(kuò)展操作碼指令格式將根據(jù)指令的使用頻率不同，分配不同位數(shù)的操作碼，以提高指令系統(tǒng)的整體譯碼速度。比如使用頻率高的指令操作碼位數(shù)較短，使用頻率低的指令操作碼位數(shù)長一些。二 指令的尋址方式指令的尋址方式指確定本條指令中所有操作數(shù)的地址以及下一條將要執(zhí)行的指令的地址的方法。1. 形式地址和有效地址通常，指令中的操作數(shù)的位置有：指令中、內(nèi)存中、CPU的寄存器中或者I/O接口中，所以指令中的操作數(shù)字段提供的值稱為形式地址，把按照約定的尋址方式計(jì)算得到的地址稱為有效地址。2. 數(shù)據(jù)尋址及常見尋址方式數(shù)據(jù)尋址：確定本條指令中所有操作

4、數(shù)的地址，即尋找指令將要操作的數(shù)據(jù)的方法，常見數(shù)據(jù)尋址方式如下所示： 立即數(shù)尋址：指令的操作數(shù)字段給出的是操作數(shù)本身（操作數(shù)在指令中）。這是最簡單最直接的尋址方式，執(zhí)行指令時(shí)，數(shù)據(jù)隨指令由內(nèi)存讀入CPU。 優(yōu)點(diǎn)：簡單、明確、速度快 缺點(diǎn)：由于操作數(shù)字段的位數(shù)是有限的，所以立即數(shù)表示數(shù)的范圍也是有限的。比如每個(gè)操作數(shù)占6位，則無符號(hào)數(shù)的表數(shù)范圍是0-63，有符號(hào)數(shù)的表數(shù)范圍是-32-+31。所以立即數(shù)尋址方式只適合操作數(shù)較小的情況，大一些的操作數(shù)無法應(yīng)用。直接尋址：操作數(shù)在內(nèi)存，指令的操作數(shù)字段給出的是操作數(shù)的內(nèi)存地址。執(zhí)行指令時(shí)，指令由內(nèi)存讀入CPU后，再按照直接尋址字段給出操作數(shù)的內(nèi)存地址讀

5、一次內(nèi)存，即可將數(shù)據(jù)從內(nèi)存讀入CPU。 優(yōu)點(diǎn)：由于操作數(shù)在內(nèi)存，操作數(shù)所占的內(nèi)存單元數(shù)由數(shù)據(jù)的類型決定，所以數(shù)據(jù)的范圍可以較大。比如操作數(shù)字段占6位，對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)為16位，則無符號(hào)數(shù)的表數(shù)范圍是0-65535，有符號(hào)數(shù)的表數(shù)范圍是-32768-+32767。 缺點(diǎn)：由于操作數(shù)字段的位數(shù)是有限的，所以操作數(shù)可存放的內(nèi)存地址的范圍也是有限的。比如每個(gè)操作數(shù)占6位，操作數(shù)只可在0-63內(nèi)存單元存放。所以直接尋址中操作數(shù)的存放位置有限，可定義的操作數(shù)的個(gè)數(shù)就受限。間接尋址：操作數(shù)在內(nèi)存，指令的操作數(shù)字段給出的是操作數(shù)的內(nèi)存地址所存放的內(nèi)存單元地址，即操作數(shù)字段給出的是操作數(shù)的地址的地址。執(zhí)行指令時(shí)，指令由

6、內(nèi)存讀入CPU后，再按照間接尋址字段給出操作數(shù)的內(nèi)存地址的內(nèi)存地址讀一次內(nèi)存，可得到操作數(shù)的內(nèi)存地址，按照這個(gè)地址再讀一次內(nèi)存，即將數(shù)據(jù)從內(nèi)存讀入CPU。 優(yōu)點(diǎn)：由于操作數(shù)在內(nèi)存，操作數(shù)所占的內(nèi)存單元數(shù)由數(shù)據(jù)的類型決定，所以數(shù)據(jù)的內(nèi)存地址以及范圍可以較大。比如操作數(shù)字段占6位，內(nèi)存單元均以16位為單位讀寫，則對(duì)應(yīng)操作數(shù)的內(nèi)存地址占16位，則操作數(shù)的可存放地址范圍是065535；對(duì)應(yīng)操作數(shù)占16位，則無符號(hào)數(shù)的表數(shù)范圍是0-65535，有符號(hào)數(shù)的表數(shù)范圍是-32768-+32767。 缺點(diǎn)：首先由于操作數(shù)字段的位數(shù)是有限的，所以操作數(shù)的地址可存放的內(nèi)存地址的范圍也是有限的。比如每個(gè)操作數(shù)占6位，

7、操作數(shù)的地址只可在0-63內(nèi)存單元存放。其次讀寫操作數(shù)需要兩次讀寫內(nèi)存，速度較慢。寄存器尋址：操作數(shù)在CPU內(nèi)的寄存器中，指令的操作數(shù)字段給出的是相應(yīng)寄存器的編號(hào)。執(zhí)行指令時(shí)，指令由內(nèi)存讀入CPU后，可直接按照寄存器編號(hào)讀寄存器，讀出內(nèi)容即為本條指令需要的操作數(shù)。 優(yōu)點(diǎn)：由于操作數(shù)在CPU中，取數(shù)速度較快。 由于CPU中寄存器的數(shù)量是有限的，所以需要的寄存器編號(hào)也較短，可以有效減少操作數(shù)字段的位數(shù)。 缺點(diǎn)：由于CPU中寄存器的數(shù)量是有限的，所以同時(shí)進(jìn)行寄存器尋址的操作數(shù)個(gè)數(shù)是有限的，一旦超出，只能通過其他方式使用，比如將暫時(shí)不用的寄存器內(nèi)容入棧保存，需要時(shí)再出棧使用。寄存器間接尋址：操作數(shù)在內(nèi)

8、存，操作數(shù)的內(nèi)存地址在CPU內(nèi)的寄存器中，指令的操作數(shù)字段給出的是相應(yīng)寄存器的編號(hào)。執(zhí)行指令時(shí)，指令由內(nèi)存讀入CPU后，可直接按照寄存器編號(hào)讀寄存器，讀出內(nèi)容即為本條指令所需要的操作數(shù)的內(nèi)存地址；再按照讀出的內(nèi)存地址讀內(nèi)存，即可讀出本條指令所需要的操作數(shù)。 優(yōu)點(diǎn)：由于操作數(shù)的地址在CPU中，獲得操作數(shù)內(nèi)存地址的速度較快。 由于CPU中寄存器的數(shù)量是有限的，所以需要的寄存器編號(hào)也較短，可以有效減少操作數(shù)字段的位數(shù)。 缺點(diǎn)：由于CPU中寄存器的數(shù)量是有限的，所以同時(shí)進(jìn)行寄存器間接尋址的操作數(shù)個(gè)數(shù)是有限的，一旦超出，只能通過其他方式使用，比如將暫時(shí)不用的寄存器內(nèi)容入棧保存，需要時(shí)再出棧使用；由于讀操

9、作數(shù)需要訪問內(nèi)存一次，速度較寄存器尋址較慢。變址尋址：操作數(shù)在內(nèi)存，操作數(shù)的內(nèi)存地址由CPU內(nèi)的變址寄存器的內(nèi)容和指令中給出的偏移量求和得到。執(zhí)行指令時(shí)，指令由內(nèi)存讀入CPU后，可直接按照變址寄存器編號(hào)讀寄存器，讀出內(nèi)容和指令中的偏移量求和即為本條指令所需要的操作數(shù)的內(nèi)存地址；再按照計(jì)算出的內(nèi)存地址讀內(nèi)存，即可讀出本條指令所需要的操作數(shù)。 優(yōu)點(diǎn)：一般將數(shù)組首地址放入指令的操作數(shù)字段，變址寄存器用來提供下標(biāo)，在循環(huán)體中順序修改變址寄存器的值，可實(shí)現(xiàn)數(shù)組功能。 缺點(diǎn)：由于操作數(shù)地址需要計(jì)算得到，速度較慢。 特點(diǎn)：讀寫一次內(nèi)存可完成操作。3. 指令尋址及常見尋址方式相對(duì)尋址：下一條將要執(zhí)行的指令所在

10、的內(nèi)存地址由CPU內(nèi)的PC寄存器的內(nèi)容（直接用或加1后使用）和指令中給出的偏移量求和得到，注意偏移量為有符號(hào)數(shù)，補(bǔ)碼表示。 特點(diǎn)：可實(shí)現(xiàn)循環(huán)和選擇結(jié)構(gòu)。4. 其他常見尋址方式基址尋址：操作數(shù)或指令的內(nèi)存地址由CPU內(nèi)的基址寄存器的內(nèi)容左移n位（乘2n）和指令中給出的偏移量求和得到。比如8086/8088中，四個(gè)段寄存器CS、DS、SS和ES均為基址寄存器，所有指令地址由(CS)*16+(PC)得到；所有數(shù)據(jù)段的地址由(DS)*16+指令中給出的偏移量得到；所有附加段的地址由(ES)*16+指令中給出的偏移量得到；所有堆棧段的地址由(SS)*16+（SP）或(SS)*16+（BP）得到。 特點(diǎn)：

11、一般用來擴(kuò)大尋址空間。4操作數(shù)的個(gè)數(shù)指令中的操作數(shù)個(gè)數(shù)一般有0-3個(gè)，多于三個(gè)的操作數(shù)可以轉(zhuǎn)換為四類中的一類。零操作數(shù)指令:指令中無操作數(shù)字段?？赡苤噶畈恍枰僮鲾?shù)，比如停機(jī)指令hlt，也可能指令中的操作數(shù)隱含在特殊寄存器、堆?；蚶奂悠髦小Ｒ坏刂分噶睿褐噶钪邪粋€(gè)操作數(shù)字段?？赡苤噶钪恍枰粋€(gè)操作數(shù)，也可能其他操作數(shù)隱含在特殊寄存器、堆?；蚶奂悠髦?。二地址指令：指令中包含兩個(gè)操作數(shù)字段，一般其中的一個(gè)操作數(shù)兼作目的操作數(shù)。三地址指令：指令中包含三個(gè)操作數(shù)字段，其中兩個(gè)源操作數(shù)，一個(gè)目的操作數(shù)。三CISC和RISC的基本概念只需了解基本概念和特點(diǎn)即可。CISC：復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)。指令系統(tǒng)包含的

12、指令條數(shù)較多，優(yōu)點(diǎn)是編程方便，程序效率較高；缺點(diǎn)是指令條數(shù)較多導(dǎo)致系統(tǒng)復(fù)雜程度較高。RISC：精簡指令集計(jì)算機(jī)。根據(jù)指令的使用頻率，給使用頻率較高的20%指令分配較短的操作碼，使用較快的尋址方式；其他80%指令用較長操作碼或直接用子程序?qū)崿F(xiàn)。指令系統(tǒng)指令條數(shù)較少，一般嵌入式的處理器使用RISC，比如ARM處理器。 例題例1（2001年上海大學(xué)攻讀碩士學(xué)位研究生入學(xué)考試試題，10分；武漢理工大學(xué)2004年攻讀碩士學(xué)位研究生入學(xué)考試試題，10分;2004年武漢理工大學(xué)攻讀碩士學(xué)位研究生入學(xué)考試試題，10分）：假設(shè)某計(jì)算機(jī)指令長度為20位，具有雙操作數(shù)、單操作數(shù)、無操作數(shù)三類指令格式，規(guī)定每個(gè)操作數(shù)

13、占6位，現(xiàn)已設(shè)計(jì)出m條雙操作數(shù)指令，n條無操作數(shù)指令，求這臺(tái)計(jì)算機(jī)最多可設(shè)計(jì)出多少條單操作數(shù)指令？若操作碼位數(shù)固定呢？解：本題為典型的擴(kuò)展操作碼指令格式，由題意，該指令系統(tǒng)的指令格式如下：操作碼 操作數(shù)1（6位） 操作數(shù)2（6位） 由于規(guī)定每個(gè)操作數(shù)占6位，所以雙操作數(shù)指令的操作碼有20-6-6=8位；單操作數(shù)指令可以將操作碼的位數(shù)擴(kuò)充至操作數(shù)1，操作碼有8+6=14位；無操作數(shù)指令可以將操作碼的位數(shù)擴(kuò)充至操作數(shù)2，操作碼有14+6=20位。所以，雙操作數(shù)指令最多可有28=256條，已知現(xiàn)已設(shè)計(jì)出m條雙操作數(shù)指令，可剩余256-m個(gè)8位編碼用于擴(kuò)充單操作數(shù)指令。單操作數(shù)指令最多有（256-m）

14、*26條，設(shè)最終指令系統(tǒng)有x條單操作數(shù)指令，可剩余（256-m）*26-x個(gè)14位編碼用于擴(kuò)充無操作數(shù)指令。無操作數(shù)指令最多有（256-m）*26-x）*26條，已知現(xiàn)已設(shè)計(jì)出n條無操作數(shù)指令，所以n=（256-m）*26-x）*26，解不等式求出x即可。n=（256-m）*64-x）*64n/64=（256-m）*64-xx=（256-m）*64- n/64這臺(tái)計(jì)算機(jī)最多可設(shè)計(jì)出（256-m）*64- n/64條單操作數(shù)指令。（1） 本題如果將條件改為操作碼位數(shù)固定，則最多可設(shè)計(jì)256-m-n條單操作數(shù)指令。例2、（2003年武漢理工大學(xué)攻讀碩士學(xué)位研究生入學(xué)考試試題，10分）某機(jī)存儲(chǔ)器及C

15、PU的字長均為16位，CPU有16個(gè)16位的通用寄存器。請(qǐng)為該機(jī)設(shè)計(jì)能滿足下列條件的指令格式，并加以說明。1、允許有不超過210種的操作指令2、主存儲(chǔ)器空間不少于16MB3、至少有5種尋址方式4、只有單字長指令和雙字長指令可供選擇解：允許有不超過210種的操作指令-由于7log22108，所以操作碼占8位，最多256條指令，現(xiàn)有210條，剩余46個(gè)編碼可用于擴(kuò)充。主存儲(chǔ)器空間不少于16MB-主存字節(jié)地址至少log216M=24位至少有5種尋址方式-由于2log253，所以尋址方式占3位，最多8種尋址方式，現(xiàn)有5種，剩余3個(gè)編碼可用于擴(kuò)充其他尋址方式。16個(gè)通用寄存器，寄存器編號(hào)占log216=

16、4位單字長指令即指令長度為16位，其中操作碼必須占8位，一個(gè)操作數(shù)的尋址方式占3位，僅剩5位用于操作數(shù)。立即數(shù)尋址方式、寄存器尋址方式和寄存器間接尋址方式用5位可以直接表達(dá)，其他涉及內(nèi)存的尋址方式需要24（字節(jié)尋址）（字尋址）位地址，指令的操作數(shù)字段只能提供5位，需要借助特殊寄存器提供高19位地址，但寄存器只有16位，可以將寄存器內(nèi)容左移8位的方法構(gòu)造出24位地址，再和指令提供的5位偏移地址求和，以得到操作數(shù)所需的24位有效地址。所以單字長指令格式為操作碼8位，尋址方式3位，操作數(shù)5位。雙字長指令即指令長度為32位，其中操作碼必須占8位，剩余24位。雙字長單操作數(shù)指令格式，24位中的3位為尋址方式，剩余21位用于操作數(shù)。立即數(shù)尋址方式和寄存器相關(guān)的尋址方式用5位可以直接表達(dá)，其他涉及內(nèi)存的尋址方式需要24位地址，指令的操作數(shù)字段只能提供21位，可以將寄存器內(nèi)容左移8位的方法構(gòu)造出24位地址，再和指令提供的21位偏移地址求和，以得到操作數(shù)所需的24