第5章指令系統(tǒng)(7h)

1、計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)組成與結(jié)構(gòu)主講：弓劍鋒主講：弓劍鋒 2011-2012-2第五章第五章 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)指令系統(tǒng) 指令系統(tǒng)的發(fā)展指令系統(tǒng)的發(fā)展 指令格式指令格式 數(shù)據(jù)表示數(shù)據(jù)表示 尋址方式尋址方式 指令類型指令類型 RISC 與與 CISC本章內(nèi)容：本章內(nèi)容：P138-P1705.1 指令系統(tǒng)的發(fā)展指令系統(tǒng)的發(fā)展 計(jì)算機(jī)的計(jì)算機(jī)的性能性能與它所設(shè)置的與它所設(shè)置的指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)有很大的關(guān)有很大的關(guān)系，而指令系統(tǒng)的設(shè)置又與機(jī)器的系，而指令系統(tǒng)的設(shè)置又與機(jī)器的硬件結(jié)構(gòu)硬件結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。密切相關(guān)。發(fā)展過(guò)程發(fā)展過(guò)程 20世紀(jì)世紀(jì)50年代、年代、60年代早期年代早期 一般只有定點(diǎn)加減、邏輯

2、運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送和轉(zhuǎn)移一般只有定點(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。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)世紀(jì)60年代中、后期年代中、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。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)展指令系統(tǒng)的發(fā)展 在在60年代出現(xiàn)了系列年代出現(xiàn)了系列(series)計(jì)算機(jī)。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，人為

3、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。確運(yùn)行。 系列計(jì)算機(jī)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)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)。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。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)的發(fā)展 指令系統(tǒng)趨于多用途、強(qiáng)功能化。指令系統(tǒng)趨于多用途、強(qiáng)功能

4、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。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)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）。期長(zhǎng)，正確性難以保證，不易維護(hù)等）。 在在龐大的龐大的指令系統(tǒng)中：只有諸如算術(shù)運(yùn)算、邏輯指令系統(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)用等運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送、轉(zhuǎn)移和子程序調(diào)用等幾十條幾十條最基本最基本的

5、指令經(jīng)常被使用，而需要大量硬件支持的大多數(shù)較的指令經(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)。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 指令格式指令格式 指令操作碼的擴(kuò)展技術(shù)指令操作碼的擴(kuò)展技術(shù) 指令長(zhǎng)度與字長(zhǎng)的關(guān)系指令長(zhǎng)度與字長(zhǎng)的關(guān)系本節(jié)內(nèi)容：本節(jié)內(nèi)容：P139-P1435.2 指令格式指令格式 計(jì)算機(jī)只能夠識(shí)別和執(zhí)行用計(jì)算機(jī)只能夠識(shí)別和執(zhí)行用機(jī)器語(yǔ)言機(jī)器語(yǔ)言編寫(xiě)的程編寫(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。成機(jī)器語(yǔ)言來(lái)執(zhí)行。 機(jī)器語(yǔ)言是由一系

6、列的指令（語(yǔ)句）組成的。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)或系統(tǒng)或指令集指令集。它是程序工作者編制程序的基本依。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)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。每條指令規(guī)定機(jī)器完成一定的功能。令規(guī)定機(jī)器完成一定的功能。5.2.1 指令格式指令格式一條指令應(yīng)包含如下信息：一條指令應(yīng)包含如下信息： 操作的性質(zhì)：操作的性質(zhì)：體現(xiàn)在指令中被稱為體現(xiàn)在指令中被稱為操作碼操作碼。 操作結(jié)果的保

7、存：操作結(jié)果的保存：由地址碼給出。由地址碼給出。 操作的對(duì)象：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)數(shù)據(jù)來(lái)源以及如何尋找操作數(shù)。體現(xiàn)在指令中被稱為在指令中被稱為地址碼地址碼。 下一條指令的地址：下一條指令的地址：由操作碼和地址碼共同決定，由操作碼和地址碼共同決定，并由程序計(jì)數(shù)器并由程序計(jì)數(shù)器PC給出。操作碼決定為順序執(zhí)行時(shí)，給出。操作碼決定為順序執(zhí)行時(shí)，下條指令地址為下條指令地址為PC+1；決定為非順序執(zhí)行時(shí)，下條；決定為非順序執(zhí)行時(shí)，下條指令地址由地址碼送至指令地址由地址碼送至PC。例如轉(zhuǎn)移指令，操作碼。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。指明轉(zhuǎn)移性質(zhì)，跳轉(zhuǎn)地址由地

8、址碼給出。5.2.1 指令格式指令格式操作碼操作碼(OPCODE) ：表示該指令所要完成：表示該指令所要完成的具體操作，的具體操作，其長(zhǎng)度取決于指令集中的指其長(zhǎng)度取決于指令集中的指令條數(shù)令條數(shù)。指令格式指令格式操作碼 OP地址碼 A 地址碼地址碼(A)：描述該指令的操作對(duì)象。一般包括：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)果的存操作數(shù)、操作數(shù)地址、操作結(jié)果的存儲(chǔ)地址儲(chǔ)地址。其中，。其中，地址指寄存器的地址、地址指寄存器的地址、存儲(chǔ)器的地址或存儲(chǔ)器的地址或I/O設(shè)備的地址設(shè)備的地址。5.2.1 指令格式指令格式 零地址指令零地址指令類型類型OPCODE 指令中只有操作碼，而沒(méi)

9、有操作數(shù)或沒(méi)有操作指令中只有操作碼，而沒(méi)有操作數(shù)或沒(méi)有操作數(shù)地址。包括兩類指令：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。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。默認(rèn)操作數(shù)的指令。如堆棧操作指令。5.2.1 指令格式指令格式 單地址指令單地址指令指令中只給出一個(gè)地址碼。包括兩類指令：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。是操作數(shù)的地址，也是操作結(jié)果的存儲(chǔ)地址。如如1（自加、自減）指令。（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)是一個(gè)操作數(shù)或操作數(shù)的地址，另一個(gè)

10、操作數(shù)地址（也是結(jié)果的存儲(chǔ)地址）為累加寄存器地址（也是結(jié)果的存儲(chǔ)地址）為累加寄存器AC（隱（隱含）。含）。OPCODEA15.2.1 指令格式指令格式 雙地址指令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。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；：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，：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。同時(shí)也是存放結(jié)果的地址。OPCODEA1A25.2.1 指令格式指令格式 三地址指令三地址指令指令中給出三個(gè)地址碼，說(shuō)明如下：指令中給出

11、三個(gè)地址碼，說(shuō)明如下： A1：第一個(gè)操作數(shù)或其地址；：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；：第二個(gè)操作數(shù)或其地址； A3：操作結(jié)果的存放地址。：操作結(jié)果的存放地址。OPCODEA1A2A35.2.1 指令格式指令格式 多地址指令多地址指令 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)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，如的指令，如字符串處理指令，向量、矩陣運(yùn)算指令字符串處理指令，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)指等。為了描述一批數(shù)據(jù)，指令中需要多個(gè)地址來(lái)指

12、出數(shù)據(jù)存放的首地址、長(zhǎng)度和下標(biāo)等信息。出數(shù)據(jù)存放的首地址、長(zhǎng)度和下標(biāo)等信息。OPCODEA1A2A3An5.2.1 指令格式指令格式 對(duì)比對(duì)比 02地址指令：指令短、速度快、硬件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。地址指令：指令短、速度快、硬件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。 3n地址指令：功能強(qiáng)大、便于編程，但硬件結(jié)構(gòu)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。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。碼給出。 指令：操作的性質(zhì)。指令地址由程序計(jì)數(shù)器指令：操作的性質(zhì)。指令地址由程

13、序計(jì)數(shù)器PC的值給出。的值給出。5.2.2 指令操作碼的擴(kuò)展指令操作碼的擴(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。操作碼不同。指令中操作碼的長(zhǎng)度取決于指令集中指令中操作碼的長(zhǎng)度取決于指令集中指令的數(shù)量。指令的數(shù)量。 例如，指令集有例如，指令集有62條指令，則操作碼長(zhǎng)度條指令，則操作碼長(zhǎng)度6時(shí)時(shí)才能滿足指令集要求（才能滿足指令集要求（2662）。）。 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)。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)展指令操作碼的擴(kuò)展 固定長(zhǎng)度操作碼固定長(zhǎng)度操作碼編碼格式編碼格式 操作碼所占的二進(jìn)

14、制位數(shù)固定不變。操作碼所占的二進(jìn)制位數(shù)固定不變。 有利于有利于簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)，減少指令譯碼時(shí)間簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)，減少指令譯碼時(shí)間，廣，廣泛用于泛用于字長(zhǎng)較長(zhǎng)字長(zhǎng)較長(zhǎng)的大、中型計(jì)算機(jī)和超級(jí)小型計(jì)算的大、中型計(jì)算機(jī)和超級(jí)小型計(jì)算機(jī)中。機(jī)中。 例如例如IBM370和和VAX11系列機(jī)中系列機(jī)中, 操作碼的長(zhǎng)操作碼的長(zhǎng)度都是度都是8位，可表示位，可表示256條指令。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)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。令則操作碼短些。5.2.2 指令操作碼的擴(kuò)展指令操作

15、碼的擴(kuò)展 可變長(zhǎng)度操作碼可變長(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。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，在有利于壓縮程序中操作碼的平均長(zhǎng)度，在字長(zhǎng)字長(zhǎng)較短較短的微型機(jī)中被廣泛應(yīng)用。的微型機(jī)中被廣泛應(yīng)用。 例如：例如：PDP11，INTEL 8086/80386等，其操等，其操作碼的長(zhǎng)度均是可變的。作碼的長(zhǎng)度均是可變的。5.2.2 指令操作碼的擴(kuò)展指令操作碼的擴(kuò)展 例如，設(shè)某機(jī)器的指令長(zhǎng)度為例如，設(shè)某機(jī)器的指令長(zhǎng)度為16位，包括位，包括1個(gè)個(gè)4位的操作碼和位的操作碼和3個(gè)個(gè)4位的地址碼，其格式為：位的地址碼，其格式為：操作碼擴(kuò)展操作碼擴(kuò)展 操作碼長(zhǎng)

16、度固定時(shí)，只能編碼操作碼長(zhǎng)度固定時(shí)，只能編碼16條指令。條指令。 操作碼長(zhǎng)度可變時(shí)，如下方法可擴(kuò)展表示操作碼長(zhǎng)度可變時(shí)，如下方法可擴(kuò)展表示61條條指令：指令：5.2.2 指令操作碼的擴(kuò)展指令操作碼的擴(kuò)展OPCODEA1A2A30000A1A2A30001A1A2A30010A1A2A30011A1A2A30100A1A2A30101A1A2A30110A1A2A30111A1A2A31000A1A2A31001A1A2A31010A1A2A31011A1A2A31100A1A2A31101A1A2A31110A1A2A31111A1A2A3 操作碼長(zhǎng)度固定操作碼長(zhǎng)度固定5.2.2 指令操作碼的

17、擴(kuò)展指令操作碼的擴(kuò)展0000A1A2A31110A1A2A31111A1A2A3 15條三地址指令條三地址指令1111A2A30000 1111A2A311101111A2A300011111A2A3111116條二地址指令條二地址指令5.2.2 指令操作碼的擴(kuò)展指令操作碼的擴(kuò)展0000A1A2A31110A1A2A31111A1A2A3 15條三地址指令條三地址指令1111A2A30000 1111A2A311101111A2A300011111A2A3111116條二地址指令條二地址指令15條二地址指令條二地址指令1111A3111100001111A311110001 1111A3111

18、111101111A31111111116條單地址指令條單地址指令5.2.2 指令操作碼的擴(kuò)展指令操作碼的擴(kuò)展1111A3111100001111A311110001 1111A3111111101111A31111111116條單地址指令條單地址指令15條單地址指令條單地址指令11111111111100001111111111110001 1111111111111110111111111111111116條零地址指令條零地址指令5.2.2 指令操作碼的擴(kuò)展指令操作碼的擴(kuò)展其他擴(kuò)展方法：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

19、類似。思路與此類似。 例如，形成例如，形成15條三地址指令，條三地址指令，12條二地址指令，條二地址指令，31條單地址指令，條單地址指令，16條零地址指令，共條零地址指令，共74條。條。 上述方法是在上述方法是在不增加指令長(zhǎng)度不增加指令長(zhǎng)度的情況下，采用的情況下，采用對(duì)對(duì)地址少的指令使用較長(zhǎng)的操作碼地址少的指令使用較長(zhǎng)的操作碼，對(duì)，對(duì)地址數(shù)多的地址數(shù)多的指令使用較短的操作碼指令使用較短的操作碼。其實(shí)質(zhì)是增加了指令的數(shù)。其實(shí)質(zhì)是增加了指令的數(shù)量，豐富了指令的功能。量，豐富了指令的功能。5.2.2 指令操作碼的擴(kuò)展指令操作碼的擴(kuò)展指令的分配：指令的分配： 指令的分配以指令的分配以指令的使用頻度指令

20、的使用頻度（即在程序中出（即在程序中出現(xiàn)的概率）為依據(jù)。即現(xiàn)的概率）為依據(jù)。即頻度高的指令應(yīng)分配短的操頻度高的指令應(yīng)分配短的操作碼，頻度低的指令則分配較長(zhǎng)的操作碼作碼，頻度低的指令則分配較長(zhǎng)的操作碼。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：1、有效地縮短操作碼在程序中的平均、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；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)、縮短常用指令的譯碼時(shí)間以提高程序的運(yùn)行速度。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)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。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)展指

21、令操作碼的擴(kuò)展操作碼的平均長(zhǎng)度操作碼的平均長(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)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)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)，標(biāo)，字長(zhǎng)越長(zhǎng)，計(jì)算機(jī)的運(yùn)算精度越高字長(zhǎng)越長(zhǎng)，計(jì)算機(jī)的運(yùn)算精度越高。字長(zhǎng)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、位、16

22、位、位、32位或位或64位。位。 微型、小型機(jī)的字長(zhǎng)多為微型、小型機(jī)的字長(zhǎng)多為8位、位、16位和位和32位；位；中、大型機(jī)的字長(zhǎng)多為中、大型機(jī)的字長(zhǎng)多為32位和位和64位。位。5.2.3 指令長(zhǎng)度與字長(zhǎng)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)。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。其中，地址碼的長(zhǎng)度決定指令的直接尋址能力。 例如，例如，INTEL 8086/80586系列機(jī)的指令長(zhǎng)度分別系列機(jī)的指令長(zhǎng)度分別為為8位、位、16位、位、24位、位、32位、位、48位等

23、。而最長(zhǎng)的指令位等。而最長(zhǎng)的指令可達(dá)可達(dá)120位。位。 為了充分利用存儲(chǔ)空間，指令長(zhǎng)度也定為為了充分利用存儲(chǔ)空間，指令長(zhǎng)度也定為字節(jié)長(zhǎng)字節(jié)長(zhǎng)度的整數(shù)倍度的整數(shù)倍。5.2.3 指令長(zhǎng)度與字長(zhǎng)指令長(zhǎng)度與字長(zhǎng)指令長(zhǎng)度與字長(zhǎng)的關(guān)系指令長(zhǎng)度與字長(zhǎng)的關(guān)系指令指令短格式指令短格式指令指令長(zhǎng)度指令長(zhǎng)度字長(zhǎng)字長(zhǎng)單字長(zhǎng)指令單字長(zhǎng)指令指令長(zhǎng)度指令長(zhǎng)度=字長(zhǎng)字長(zhǎng)半字長(zhǎng)指令半字長(zhǎng)指令指令長(zhǎng)度指令長(zhǎng)度=0.5字長(zhǎng)字長(zhǎng)長(zhǎng)格式指令長(zhǎng)格式指令指令長(zhǎng)度指令長(zhǎng)度字長(zhǎng)字長(zhǎng)雙字長(zhǎng)指令雙字長(zhǎng)指令指令長(zhǎng)度指令長(zhǎng)度=2倍字長(zhǎng)倍字長(zhǎng)四字長(zhǎng)指令四字長(zhǎng)指令指令長(zhǎng)度指令長(zhǎng)度=4倍字長(zhǎng)倍字長(zhǎng)5.2.3 指令長(zhǎng)度與字長(zhǎng)指令長(zhǎng)度與字長(zhǎng)各種指令字的結(jié)構(gòu)情況

24、：各種指令字的結(jié)構(gòu)情況：地址地址 II+1I+2I+3指令指令1指令指令2指令指令3指令指令4一個(gè)字長(zhǎng)一個(gè)字長(zhǎng)指指 令令指指 令令指指 令令指指 令令地址地址 II+1I+2I+3一個(gè)字長(zhǎng)一個(gè)字長(zhǎng)指指 令令指指 令令指指 令令指指 令令地址地址 II+1I+2I+3 指令指令1 指 令指 令2一個(gè)字長(zhǎng)一個(gè)字長(zhǎng)單字長(zhǎng)指令單字長(zhǎng)指令雙字長(zhǎng)指令雙字長(zhǎng)指令半字長(zhǎng)指令半字長(zhǎng)指令變字長(zhǎng)指令變字長(zhǎng)指令指令指令3一個(gè)字長(zhǎng)一個(gè)字長(zhǎng)地址地址II+1I+2I+3I+4I+5I+6指令指令1指令指令25.3 數(shù)據(jù)表示數(shù)據(jù)表示 目前微機(jī)所用數(shù)據(jù)字長(zhǎng)為目前微機(jī)所用數(shù)據(jù)字長(zhǎng)為32位或位或64位。位。8位和位和16位機(jī)器字長(zhǎng)

25、多用于各種單片機(jī)中。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、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）。單片機(jī)中）。5.3 數(shù)據(jù)表示數(shù)據(jù)表示 為便于硬件實(shí)現(xiàn)，一般要求多字節(jié)數(shù)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)。據(jù)對(duì)準(zhǔn)邊界，從而減少訪存的次數(shù)。邊界對(duì)準(zhǔn)邊界對(duì)準(zhǔn)特點(diǎn)特點(diǎn)1：半字地址最半字地址最低位為零；字地址最低位為零；字地址最低兩位為零；雙字地低兩位為零；雙字地址最低三位為零。址最低三位為零。特點(diǎn)特點(diǎn)2：若數(shù)據(jù)長(zhǎng)度若數(shù)據(jù)長(zhǎng)度不足，則填充空字節(jié)

26、。不足，則填充空字節(jié)。例如三字節(jié)數(shù)據(jù)占用例如三字節(jié)數(shù)據(jù)占用雙字存儲(chǔ)，有一字節(jié)雙字存儲(chǔ)，有一字節(jié)為空。為空。5.3 數(shù)據(jù)表示數(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)。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)況，需訪問(wèn)2次存儲(chǔ)器才能取得數(shù)據(jù)。次存儲(chǔ)器才能取得數(shù)據(jù)。5.4 尋址方式尋址方式尋址方式：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，在存儲(chǔ)器中，操作數(shù)或指令字寫(xiě)入或讀出的方式，有有地址指定方式地址指定方式、相聯(lián)存儲(chǔ)方式相聯(lián)存儲(chǔ)方式和和堆棧存取方式

27、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。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，稱為方式，稱為尋址方式尋址方式。 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。址方式指數(shù)據(jù)尋址方式。5.4 尋址方式尋址方式CPU一直都在尋找的東西一直都在尋找的東西 指令：指令： 通過(guò)程序計(jì)數(shù)器通過(guò)程序計(jì)數(shù)器PC（存放著下一條指令的地址）（

28、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。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。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，則若為順序執(zhí)行，則PC+1；若為非順序執(zhí)行，則；若為非順序執(zhí)行，則PC值由當(dāng)前指令地址碼給出。值由當(dāng)前指令地址碼給出。 指令尋址方式分指令尋址方式分順序?qū)ぶ讽樞驅(qū)ぶ泛秃吞S（轉(zhuǎn)移）尋址跳躍（轉(zhuǎn)移）尋址。5.4 尋址方式尋址方式5.4 尋址方式尋址方式6演示演示5.4 尋址方式尋址方式 數(shù)據(jù)：數(shù)據(jù)： 通過(guò)指令實(shí)現(xiàn)。通過(guò)指令實(shí)現(xiàn)。 數(shù)據(jù)

29、存放的三個(gè)地方：寄存器、存儲(chǔ)器、數(shù)據(jù)存放的三個(gè)地方：寄存器、存儲(chǔ)器、I/O設(shè)備。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。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。能都有極大的影響。 5.4 尋址方式尋址方式注明：注明：D或或A地址碼；地址碼；E操作數(shù)的有效地址；操作數(shù)的有效地址；S操作數(shù)；操作數(shù)；R寄存器地址。寄存器地址。指令中

30、的地址碼就是所需的操作數(shù)。指令中的地址碼就是所需的操作數(shù)。 1 立即尋址立即尋址優(yōu)點(diǎn)：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)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。存儲(chǔ)器，提高了指令執(zhí)行速度。 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：操作數(shù)數(shù)值受限；操作數(shù)不能單獨(dú)修改。操作數(shù)數(shù)值受限；操作數(shù)不能單獨(dú)修改。 OP # S立即尋址特征立即尋址特征立即數(shù)立即數(shù) SD5.4 尋址方式尋址方式指令中的地址碼是操作數(shù)的地址。指令中的地址碼是操作數(shù)的地址。 2 直接尋址直接尋址優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：不需計(jì)算地址，尋址速度很快；不需計(jì)算地址，尋址速度很快； 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：尋址范圍受到地址字段長(zhǎng)度的限制。尋址范圍受到地

31、址字段長(zhǎng)度的限制。演示演示演示演示S( E )( D )5.4 尋址方式尋址方式指令中的地址碼是操作數(shù)的有效地址的地址。指令中的地址碼是操作數(shù)的有效地址的地址。 3 間接尋址間接尋址優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：地址構(gòu)成靈活，尋址范圍大；地址構(gòu)成靈活，尋址范圍大； 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：最少需訪問(wèn)兩次存儲(chǔ)器才能取得數(shù)據(jù)。最少需訪問(wèn)兩次存儲(chǔ)器才能取得數(shù)據(jù)。演示演示S( E )( ( D ) )演示演示5.4 尋址方式尋址方式 指令中的地址碼是某寄存器的地址指令中的地址碼是某寄存器的地址 ，操作數(shù)在，操作數(shù)在該寄存器中。該寄存器中。4 寄存器尋址寄存器尋址優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：寄存器高速存取，可大幅提高執(zhí)行速度；寄存器高速存取，可大幅

32、提高執(zhí)行速度； 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：寄存器數(shù)量有限。寄存器數(shù)量有限。 OP RiRi S S = ( E ) = ( R )5.4 尋址方式尋址方式 指令中的地址碼是某寄存器的地址指令中的地址碼是某寄存器的地址 ，操作數(shù)的，操作數(shù)的地址在該寄存器中。地址在該寄存器中。5 寄存器間址寄存器間址優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：借助寄存器提高執(zhí)行速度；借助寄存器提高執(zhí)行速度； 尋址靈活；尋址靈活；缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：寄存器數(shù)量有限。寄存器數(shù)量有限。 S = ( E ) = ( ( R ) )OP Ri E Ri S5.4 尋址方式尋址方式 程序計(jì)數(shù)器程序計(jì)數(shù)器PC的值（基址）加指令地址碼（位的值（基址）加指令地址碼（位移量）形成操作數(shù)

33、的有效地址。移量）形成操作數(shù)的有效地址。6 相對(duì)尋址相對(duì)尋址特點(diǎn)：特點(diǎn)：1、位移量可正可負(fù)，通常用補(bǔ)碼表示。、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)。、常用于程序跳轉(zhuǎn)。 S = ( E ) = ( PC+D )演示演示演示演示5.4 尋址方式尋址方式舉例如下：舉例如下：OP35P C:相對(duì)距離相對(duì)距離 =35內(nèi)存內(nèi)存OP 35300010351000 PC值為值為1000，指令地址碼為，指令地址碼為35，相對(duì)地址為，相對(duì)地址為1035。這個(gè)地址隨。這個(gè)地址隨PC的值變化而變化，并且相對(duì)差的值變化而變化，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)一個(gè)固定值。因此，當(dāng)把操

34、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，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。程序均能正確運(yùn)行。5.4 尋址方式尋址方式 基址寄存器的內(nèi)容（基址）加指令地址碼（位基址寄存器的內(nèi)容（基址）加指令地址碼（位移量）形成操作數(shù)的有效地址。移量）形成操作數(shù)的有效地址。7 基址尋址基址尋址 S = ( E ) = ( ( R ) + D )址5.4 尋址方式尋址方式 當(dāng)當(dāng)存儲(chǔ)容量較大，所需地址碼的長(zhǎng)度大于字長(zhǎng)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

35、元。接訪問(wèn)存儲(chǔ)器的所有單元。演示演示 因此，把整個(gè)存儲(chǔ)空間因此，把整個(gè)存儲(chǔ)空間分成若干段分成若干段，每段的，每段的首首地址地址存放在一個(gè)存放在一個(gè)基址寄存器基址寄存器中，中，段內(nèi)的位移量段內(nèi)的位移量由指由指令直接給出。令直接給出。 基址寄存器基址寄存器:專用寄存器，或者由指令指定的某專用寄存器，或者由指令指定的某個(gè)通用寄存器。個(gè)通用寄存器。用途：用途：1、大容量存儲(chǔ)體尋址；、大容量存儲(chǔ)體尋址； 2、查表。、查表。變址 變址寄存器變址寄存器:專用寄存器，或者由指令指專用寄存器，或者由指令指定的某個(gè)通用寄存器或內(nèi)存單元。定的某個(gè)通用寄存器或內(nèi)存單元。5.4 尋址方式尋址方式 變址寄存器的內(nèi)容（變址

36、）加指令地址碼（位變址寄存器的內(nèi)容（變址）加指令地址碼（位移量）形成操作數(shù)的有效地址。移量）形成操作數(shù)的有效地址。8 變址尋址變址尋址 S = ( E ) = ( ( R ) + D )演示演示5.4 尋址方式尋址方式Ri為變址寄存器時(shí)的為變址寄存器時(shí)的變址尋址變址尋址內(nèi)存內(nèi)存20501000opX3 Ri00801080內(nèi)存內(nèi)存 2050 1080變址寄存器 1000Ri OP X3 Ri 0080Ri為內(nèi)存變址單元時(shí)為內(nèi)存變址單元時(shí)的變址尋址的變址尋址5.4 尋址方式尋址方式 基址尋址基址尋址面向系統(tǒng)面向系統(tǒng)，主要用于，主要用于邏輯地址到物理地邏輯地址到物理地址的變換址的變換，用來(lái)解決程序

37、在主存儲(chǔ)器中的再定位和，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。擴(kuò)大尋址空間等問(wèn)題?；泛妥冎返膽?yīng)用方向基址和變址的應(yīng)用方向 變址尋址則變址尋址則面向用戶面向用戶，用于訪問(wèn)字符串、向量和，用于訪問(wèn)字符串、向量和數(shù)組等數(shù)組等成批數(shù)據(jù)成批數(shù)據(jù)，沒(méi)有邏輯地址到物理地址的變換，沒(méi)有邏輯地址到物理地址的變換功能。功能。 在一些小型機(jī)或微型機(jī)中，基址尋址和變址尋在一些小型機(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。址實(shí)際上已經(jīng)合二為一了。5.4 尋址方式尋址方式 段尋址基于基址尋址。操作數(shù)地址由段地址加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。地址碼指定的偏移

38、量得到。9 段尋址段尋址 S = ( E ) = ( ( R ) + D ) 段寄存器：段寄存器：專用寄存器，存放段地址。常用的專用寄存器，存放段地址。常用的段寄存器有：段寄存器有：CS（程序段段寄存器）、（程序段段寄存器）、DS（數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)段段寄存器）、段段寄存器）、SS（堆棧段段寄存器）、（堆棧段段寄存器）、ES（擴(kuò)展（擴(kuò)展數(shù)據(jù)段段寄存器），參見(jiàn)數(shù)據(jù)段段寄存器），參見(jiàn)5.8.2小節(jié)。小節(jié)。 Intel 8086 CPU由由16位段寄存器和位段寄存器和16位偏移量位偏移量產(chǎn)生產(chǎn)生20位物理地址。位物理地址。演示演示5.4 尋址方式尋址方式 操作數(shù)在堆棧中。操作數(shù)在堆棧中。10 堆棧尋址堆棧尋

39、址5.5 指令類型指令類型 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，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：指令系統(tǒng)，應(yīng)具備以下各類指令：5.5 指令類型指令類型 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)定點(diǎn)加、減、乘、除指令，加、減、乘、除指令，浮點(diǎn)浮點(diǎn)加、減、乘、除指加、減、乘、除指令，令，求反、求補(bǔ)求反、求補(bǔ)指令，指令，十進(jìn)制十進(jìn)制加、減運(yùn)算指令等。加、減運(yùn)算指令等。1 算術(shù)運(yùn)算指令算術(shù)運(yùn)算指令算術(shù)指令常用的狀態(tài)標(biāo)志位有：算術(shù)指

40、令常用的狀態(tài)標(biāo)志位有： Z 結(jié)果為結(jié)果為0 ； N 結(jié)果為負(fù)結(jié)果為負(fù) ； V 結(jié)果溢出；結(jié)果溢出； C 產(chǎn)生進(jìn)位或借位。產(chǎn)生進(jìn)位或借位。5.5 指令類型指令類型 主要用于主要用于無(wú)符號(hào)數(shù)無(wú)符號(hào)數(shù)的位操作、代碼的轉(zhuǎn)換、判的位操作、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)的斷及運(yùn)算。包括與、或、非、異或等指令及相應(yīng)的位操作。位操作。2 邏輯運(yùn)算指令邏輯運(yùn)算指令3 移位指令移位指令 包括算術(shù)移位、邏輯移位和循環(huán)移位指令。常包括算術(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。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；邏輯移算術(shù)移位實(shí)現(xiàn)對(duì)有符號(hào)數(shù)的乘除運(yùn)算；

41、邏輯移位實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)符號(hào)數(shù)的乘除運(yùn)算。位實(shí)現(xiàn)對(duì)無(wú)符號(hào)數(shù)的乘除運(yùn)算。5.5 指令類型指令類型算術(shù)移位算術(shù)移位邏輯移位邏輯移位5.5 指令類型指令類型小循環(huán)移位小循環(huán)移位大循環(huán)移位大循環(huán)移位5.5 指令類型指令類型 字符串處理指令是一種字符串處理指令是一種非數(shù)值非數(shù)值處理指令，這類處理指令，這類指令用在文字編輯中對(duì)大量字符串進(jìn)行處理。指令用在文字編輯中對(duì)大量字符串進(jìn)行處理。4 字符串處理指令字符串處理指令常用操作指令有：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；到另一區(qū)域； 字符串轉(zhuǎn)換：把一種編碼的字符串轉(zhuǎn)換成另一種字符串轉(zhuǎn)換：把

42、一種編碼的字符串轉(zhuǎn)換成另一種編碼的字符串；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；字符串替換：把某一字符串用另一字符串代替；5.5 指令類型指令類型5 數(shù)據(jù)傳送指令數(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；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)存儲(chǔ)單元與存儲(chǔ)單元之間的數(shù)據(jù)復(fù)制復(fù)制或

43、或交換交換。 主要包括取數(shù)指令、存數(shù)指令、傳送指令、成主要包括取數(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。組傳送指令、字節(jié)交換指令等。5.5 指令類型指令類型 實(shí)現(xiàn)程序跳轉(zhuǎn)。常見(jiàn)類型有：無(wú)條件轉(zhuǎn)移指令、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、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。中斷返回指令等。6 程序控制指令（轉(zhuǎn)移指令）程序控制指令（轉(zhuǎn)移指令）1、無(wú)條件轉(zhuǎn)移指令：、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)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：定的地方。常見(jiàn)指令：JMP。

44、5.5 指令類型指令類型2、條件轉(zhuǎn)移指令：、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。定是否轉(zhuǎn)移。 算術(shù)標(biāo)志位（算術(shù)標(biāo)志位（Z、N、V、C）常用作判斷條件，）常用作判斷條件，此類指令較多，詳見(jiàn)此類指令較多，詳見(jiàn)P151152。根據(jù)尋址方式不同，條件轉(zhuǎn)移可分為：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)移地址相對(duì)轉(zhuǎn)移：轉(zhuǎn)移地址PCPC + 地址碼（相對(duì)尋址）地址碼（相對(duì)尋址） 絕對(duì)轉(zhuǎn)移：轉(zhuǎn)移地址絕對(duì)轉(zhuǎn)移：轉(zhuǎn)移地址PC地址碼（直接尋址）地址碼（直接尋址）5.5 指令類型指令類型3、轉(zhuǎn)子指令：、轉(zhuǎn)子指令： 轉(zhuǎn)向子程序入口，并將原

45、程序中下一條指令地轉(zhuǎn)向子程序入口，并將原程序中下一條指令地址（址（PC）存入內(nèi)存單元（或寄存器、堆棧）中，以）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。便為返回主程序時(shí)提供返回地址。4、返回指令：、返回指令： 從內(nèi)存單元（或寄存器、堆棧）中取出返回地從內(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。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，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。繼續(xù)從斷點(diǎn)處開(kāi)始執(zhí)行指令。5.5 指令類型指令類型

46、陷阱是一種陷阱是一種意外事故中斷意外事故中斷，目的是把發(fā)生的故，目的是把發(fā)生的故障通知障通知CPU，并根據(jù)故障的情況轉(zhuǎn)入相應(yīng)的故障處，并根據(jù)故障的情況轉(zhuǎn)入相應(yīng)的故障處理程序。理程序。7 陷阱指令陷阱指令 陷阱指令是一種陷阱指令是一種隱含指令隱含指令（不出現(xiàn)在指令系統(tǒng)（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)，由使用。當(dāng)故障出現(xiàn)時(shí)，由CPU自動(dòng)產(chǎn)生并執(zhí)行，故自動(dòng)產(chǎn)生并執(zhí)行，故又叫又叫自中斷指令自中斷指令。 陷阱觸發(fā)后，中斷強(qiáng)制執(zhí)行，不可屏蔽！陷阱觸發(fā)后，中斷強(qiáng)制執(zhí)行，不可屏蔽！5.5 指令類型指令類型堆棧：堆棧：8

47、 堆棧指令堆棧指令 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。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)的對(duì)數(shù)據(jù)的存取方法存取方法和和尋址方式尋址方式有所不同。有所不同。 堆棧采用先進(jìn)后出堆棧采用先進(jìn)后出(FILO：first in last out)的存的存取方式（取方式（破壞性讀出破壞性讀出）。棧底固定不變，棧頂為數(shù)）。棧底固定不變，棧頂為數(shù)據(jù)通道。據(jù)通道。任何堆棧操作只能在棧頂進(jìn)行。任何堆棧操作只能在棧頂進(jìn)行。5.5 指令

48、類型指令類型堆棧指針堆棧指針SP (stack pointer)： 用于軟堆棧指出棧頂?shù)刂返募拇嫫骰虼鎯?chǔ)器單元。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：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。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）：串聯(lián)堆棧（硬堆棧）： 由由8或或16個(gè)具有移位功能的寄存器組成。操作速個(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。度快。但它要受到寄存器數(shù)目的限制。演示演示演示演示演示演示5.5 指令類型指令類型存儲(chǔ)器堆棧（軟堆棧）：存儲(chǔ)器堆棧（軟堆棧）： 利用一部分主存空間構(gòu)成堆棧，需要指針利用一部分主存空

49、間構(gòu)成堆棧，需要指針SP指指示棧頂?shù)囊苿?dòng)情況。當(dāng)軟堆棧建立后，該部分存儲(chǔ)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。區(qū)則不能再作他用。演示演示演示演示演示演示存儲(chǔ)器堆棧的優(yōu)點(diǎn)有：存儲(chǔ)器堆棧的優(yōu)點(diǎn)有： 堆棧的堆棧的長(zhǎng)度長(zhǎng)度可視程序的要求任意設(shè)置；可視程序的要求任意設(shè)置； 堆棧的堆棧的數(shù)目數(shù)目可由程序員任意規(guī)定；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)行的數(shù)據(jù)進(jìn)行尋址尋址。5.5 指令類型指令類型堆棧操作：堆棧操作： 入棧：入棧：把指定的操作數(shù)送入堆棧棧頂。堆棧指針把指定的操作數(shù)送入堆棧棧頂。堆棧指針SP

50、- n（n = 壓入數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)）。壓入數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)）。入棧指令：入棧指令：PUSH。 出棧：出棧：把棧頂?shù)臄?shù)據(jù)取出，送到指令指定的單元。把棧頂?shù)臄?shù)據(jù)取出，送到指令指定的單元。堆棧指針堆棧指針SP+n（n = 壓入數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)）。壓入數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)）。出棧指令：出棧指令：POP。堆棧功能：堆棧功能： 除具備主存的功能外，堆棧常用于中斷、子程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)的也常用于子程序調(diào)用及返回時(shí)的參數(shù)傳遞參數(shù)傳遞。5.5 指令類型指令類型9 I/O指令指令 用來(lái)啟動(dòng)外圍

51、設(shè)備，檢查測(cè)試外圍設(shè)備的工作用來(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)備和狀態(tài)，并實(shí)現(xiàn)外部設(shè)備和CPU之間，或外圍設(shè)備與之間，或外圍設(shè)備與外圍設(shè)備之間的信息傳送。外圍設(shè)備之間的信息傳送。 指令格式：指令格式： OPCODERA操作碼，表示操作碼，表示I/O指令。指令。寄存器名，指定與外部設(shè)備寄存器名，指定與外部設(shè)備交換數(shù)據(jù)的寄存器。交換數(shù)據(jù)的寄存器。外設(shè)的某寄存器地址外設(shè)的某寄存器地址或設(shè)備碼，長(zhǎng)度一般或設(shè)備碼，長(zhǎng)度一般為為816位，可表示位，可表示25664K個(gè)地址。個(gè)地址。5.5 指令類型指令類型10 特權(quán)指令特權(quán)指令 具有特殊權(quán)限的指令。這類指令只用于操作系具有特殊權(quán)限的

52、指令。這類指令只用于操作系統(tǒng)或其他系統(tǒng)軟件，一般統(tǒng)或其他系統(tǒng)軟件，一般不直接提供給用戶使用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。它不可少。它主要用于系統(tǒng)資源的分配和管理主要用于系統(tǒng)資源的分配和管理。包括。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。切換等。 5.5 指令類型指令類型11 其他指令其他指令主要包括：主要包括： 向量指令；向量指令； 多處理機(jī)指令；多處理機(jī)指令； 控制

53、類指令：控制類指令： 常用的控制類指令有：等待指令、停機(jī)指令、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。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：時(shí)代背景：l 隨著硬件成本不斷下降，軟件成本不斷上升，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。的指令，以適應(yīng)不同應(yīng)用領(lǐng)域的需要。 Complex Instruct

54、ion Set Computerl 系列機(jī)問(wèn)世之后，為了能做到程序兼容，新機(jī)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。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)多到幾百條目前，大多數(shù)計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)多到幾百條指令。指令。 這就體現(xiàn)了計(jì)算機(jī)性能越高，其指令系這就體現(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)稱為統(tǒng)越復(fù)雜的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思

55、想。這類計(jì)算機(jī)稱為“復(fù)復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)”，簡(jiǎn)稱，簡(jiǎn)稱CISC（Complex Instruction Set Computer）。）。 例如：例如：VAX11/780計(jì)算機(jī)有計(jì)算機(jī)有303條指令，條指令，18種種尋址方式；尋址方式；Pentium機(jī)有機(jī)有191條指令，條指令，9種尋址方式。種尋址方式。CISC 現(xiàn)狀：現(xiàn)狀：5.7 RISC、CISCRISCRISC 時(shí)代背景：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。的執(zhí)行速度。 Reduced Instruction Set Computer 日趨龐大的指令系統(tǒng)使

56、計(jì)算機(jī)的研制周期變長(zhǎng)，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。性能。 1975年年IBM公司開(kāi)始研究指令系統(tǒng)的合理性問(wèn)公司開(kāi)始研究指令系統(tǒng)的合理性問(wèn)題，題， John Cocke提出了精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)的想法。提出了精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)的想法。5.7 RISC、CISC 第一代第一代RISC處理器處理器 采用采用VLSI CPU芯片芯片, 片上晶體管數(shù)為片上晶體管數(shù)為44000個(gè)個(gè), 線寬線寬3 m，字長(zhǎng)，字長(zhǎng)32位；位； 有有128個(gè)寄存器，均為個(gè)寄存器，均為32位；位； 只有只有31條指令，兩種尋址方式。條指令，

57、兩種尋址方式。 1982年美國(guó)加州伯萊克大學(xué)研究的年美國(guó)加州伯萊克大學(xué)研究的RISC I機(jī)機(jī): 同時(shí)，斯坦福大學(xué)推出同時(shí)，斯坦福大學(xué)推出MIPS機(jī)，機(jī)，IBM公司推出公司推出IBM 801機(jī)，顯示了機(jī)，顯示了RISC的生命力，并推動(dòng)了的生命力，并推動(dòng)了RISC技術(shù)的不斷發(fā)展。技術(shù)的不斷發(fā)展。5.7 RISC、CISC 第二代第二代RISC處理器處理器 第二代第二代RISC處理器在第一代的基礎(chǔ)上提高了處理器在第一代的基礎(chǔ)上提高了集成度集成度和和時(shí)鐘頻率時(shí)鐘頻率，建立了比較完善的，建立了比較完善的Cache分層分層存儲(chǔ)體系存儲(chǔ)體系。 它們已具有單指令流水線，每次順序執(zhí)行多條它們已具有單指令流水線，

58、每次順序執(zhí)行多條指令，每個(gè)周期發(fā)出一條指令。指令，每個(gè)周期發(fā)出一條指令。 例如，例如，MIPS公司的公司的R3000處理器，則采用了處理器，則采用了25MHZ和和33MHZ的時(shí)鐘頻率，芯片集成度是的時(shí)鐘頻率，芯片集成度是11.5萬(wàn)晶體管，字長(zhǎng)萬(wàn)晶體管，字長(zhǎng)32位。位。5.7 RISC、CISC 第三代第三代RISC處理器處理器 第三代第三代RISC處理器則采用了巨型計(jì)算機(jī)或大型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)計(jì)算機(jī)的設(shè)計(jì)技術(shù)超級(jí)流水線超級(jí)流水線(Superpipelining)技術(shù)和超標(biāo)量技術(shù)和超標(biāo)量(Superrscalar)技術(shù)。提高了指令級(jí)并技術(shù)。提高了指令級(jí)并行處理能力。

59、行處理能力。 例如，例如，MIPS公式的公式的R4000處理器采用處理器采用50MHZ和和75MHZ的外部時(shí)鐘頻率（內(nèi)部流水線時(shí)鐘是的外部時(shí)鐘頻率（內(nèi)部流水線時(shí)鐘是100MHZ和和150MHZ），芯片集成度高達(dá)），芯片集成度高達(dá)110萬(wàn)晶體萬(wàn)晶體管，字長(zhǎng)是管，字長(zhǎng)是64位，并包含有位，并包含有16KB的的Cache。5.7 RISC、CISCRISC 構(gòu)成原理：構(gòu)成原理： 對(duì)對(duì)CISC指令系統(tǒng)所作的運(yùn)行統(tǒng)計(jì)分析表明，各指令系統(tǒng)所作的運(yùn)行統(tǒng)計(jì)分析表明，各種指令種指令使用頻率使用頻率相差懸殊，常用的較為簡(jiǎn)單的指令，相差懸殊，常用的較為簡(jiǎn)單的指令，僅占指令總數(shù)的僅占指令總數(shù)的20%，但在程序中使用的

60、頻率卻占，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，盡量使技術(shù)的實(shí)質(zhì)是要求指令系統(tǒng)簡(jiǎn)化，盡量使用用寄存器寄存器寄存器寄存器操作指令，指令操作在操作指令，指令操作在一個(gè)周期一個(gè)周期內(nèi)內(nèi)完成，指令完成，指令格式格式力求一致，以利于提高編譯的效力求一致，以利于提高編譯的效率。率。5.7 RISC、CISC 下表是下表是 HP 公司研究了公司研究了 IBM 370 計(jì)算機(jī)的高計(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)：級(jí)語(yǔ)言運(yùn)行情況后所得到的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)：指令類別指令類別轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移邏輯操作邏輯操作存數(shù)取數(shù)存數(shù)取數(shù)存儲(chǔ)單元送存儲(chǔ)單元存儲(chǔ)單元送存儲(chǔ)單元整數(shù)運(yùn)算整數(shù)運(yùn)算浮點(diǎn)運(yùn)算浮點(diǎn)運(yùn)算