計算機組成與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)指令系統(tǒng)

1第4章指令系統(tǒng)對一臺計算機來說，指令系統(tǒng)是非常重要的，指令系統(tǒng)的功能和性能會對計算機的性能產(chǎn)生直接影響。本章將說明指令的構(gòu)成格式、經(jīng)常使用的尋址方式以及常見的指令。24.1指令格式4.1.1概述1.機器指令2.設(shè)置指令系統(tǒng)的要求1)完備性2)有效性3)規(guī)整性4)兼容性34.1.2指令信息及格式1.指令信息1)指令操作碼2)操作數(shù)地址3)操作結(jié)果的存放地址4)下一條指令的地址44.1.2指令信息及格式2.指令格式1)零地址指令2)一地址指令3)二地址指令4)三地址指令5)多地址指令54.1.3指令設(shè)計1.指令長度的影響因素1)內(nèi)存大小與組織2)CPU數(shù)據(jù)總線寬度3)CPU內(nèi)部寄存器的數(shù)量4)尋址方式5)指令數(shù)量2.定長操作碼變長指令碼3.定長指令碼變長操作碼4.霍夫曼編碼1)霍夫曼編碼概述2)舉例3)利用霍夫曼編碼的思想擴展操作碼64.2存儲及尋址方式計算機中，決定操作數(shù)地址或決定指令地址的方法稱為尋址方式。一臺計算機尋址方式的多少及功能將對計算機的性能產(chǎn)生直接影響，因此，在設(shè)計計算機的指令系統(tǒng)時，設(shè)置指令系統(tǒng)的尋址方式是十分重要的。尋址方式越多，則指令系統(tǒng)的功能就越強。下面將對計算機中常用的尋址方式逐一加以說明。為了說明問題方便，在下面的描述中將以第3章中圖3-27所表示的CPU為例。該圖所表示的是一個概念上的簡單的CPU，我們將以此來說明有關(guān)的原理及概念。74.2.1主存中的數(shù)據(jù)存儲方式1.大端模式在當(dāng)前的計算機中，內(nèi)部存儲器(或稱主存儲器)大都是按字節(jié)編址，即一個內(nèi)存地址只存放一個字節(jié)。當(dāng)一個數(shù)據(jù)由多字節(jié)構(gòu)成時，如果將該數(shù)據(jù)存儲在存儲器中的順序是小地址放高字節(jié)而大地址放低字節(jié)，則稱這種順序的存儲模式為大端模式。2.小端模式小端模式下，數(shù)據(jù)在內(nèi)存中的存放順序與大端模式剛好相反，即數(shù)據(jù)存儲在存儲器中的順序是小地址放低字節(jié)而大地址放高字節(jié)。84.2.2尋址方式1.決定操作數(shù)地址的尋址方式1)立即尋址2)直接尋址3)寄存器尋址94.2.2尋址方式4)寄存器間接尋址5)變址尋址6)基址尋址7)基址變址尋址104.2.2尋址方式8)基址變址相對尋址9)間接尋址114.2.2尋址方式10)堆棧尋址(1)由CPU內(nèi)部的寄存器構(gòu)成。(2)由存儲器構(gòu)成。11)隱含尋址12)其他尋址方式124.2.2尋址方式2.決定指令地址的尋址方式1)順序?qū)ぶ?)轉(zhuǎn)移尋址(1)相對尋址。(2)絕對尋址。(3)間接尋址。(4)中斷尋址。134.3指令系統(tǒng)本節(jié)主要介紹計算機中最常用的一些基本指令，按照指令的功能可將基本指令分為如下所述的若干類。144.3.1傳送指令1.數(shù)據(jù)傳送指令MOVOPRD1,OPRD22.數(shù)據(jù)交換指令XCHGOPRD1OPRD23.堆棧操作指令4.輸入/輸出指令1)統(tǒng)一編址2)獨立編址154.3.2算術(shù)運算指令進(jìn)行加、減運算的源操作數(shù)和目的操作數(shù)的關(guān)系如圖4-20所示。164.3.2算術(shù)運算指令1.加法指令1)ADDOPRD1,OPRD2(加法)2)ADC指令(帶進(jìn)位加法)3)INCOPRD指令(加1)2.減法指令1)SUBOPRD1，OPRD2(減法)2)SBB指令(帶進(jìn)位減法)3)DECOPRD指令(減1)4)NEGOPRD(求補)5)CMPOPRD1，OPRD2(比較)174.3.2算術(shù)運算指令3.乘法指令1)MUL(無符號數(shù)乘法)2)IMUL(帶符號數(shù)乘法)4.除法指令1)DIV(無符號數(shù)除法)2)IDIV(帶符號數(shù)除法)5.調(diào)整指令A(yù)AA：對AL中ASCII未壓縮的十進(jìn)制數(shù)進(jìn)行調(diào)整。AAS：對AL中ASCII未壓縮的十進(jìn)制數(shù)進(jìn)行調(diào)整。AAD：在除法指令前對AX中ASCII未壓縮的十進(jìn)制數(shù)進(jìn)行調(diào)整。AAM：對AX中兩個ASCII未壓縮的十進(jìn)制數(shù)相乘結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。DAA：對AL中兩個壓縮十進(jìn)制數(shù)相加之和進(jìn)行調(diào)整，得到壓縮十進(jìn)制和。DAS：對AL中兩個壓縮十進(jìn)制數(shù)相減之差進(jìn)行調(diào)整，得到壓縮十進(jìn)制差。184.3.3邏輯運算指令1.NOT(取反)2.AND(與)3.TEST(測試)4.OR(或)5.XOR(異或)194.3.4移位及循環(huán)移位指令1.移位指令1)SAL/SHL(算術(shù)/邏輯左移)2)SAR(算術(shù)右移)3)SHR(邏輯右移)204.3.4移位及循環(huán)移位指令2.循環(huán)移位指令1)ROL(不帶進(jìn)位標(biāo)志的循環(huán)左移)2)ROR(不帶進(jìn)位標(biāo)志的循環(huán)右移)3)RCL(包括進(jìn)位標(biāo)志的循環(huán)左移)4)RCR(包括進(jìn)位標(biāo)志的循環(huán)右移)214.3.5程序控制指令1.無條件轉(zhuǎn)移、子程序調(diào)用和返回指令1)無條件轉(zhuǎn)移指令JMP2)子程序調(diào)用和返回指令224.3.5程序控制指令2.條件轉(zhuǎn)移指令條件轉(zhuǎn)移指令根據(jù)標(biāo)志寄存器中各標(biāo)志位的狀態(tài)決定程序是否進(jìn)行轉(zhuǎn)移，當(dāng)滿足條件時產(chǎn)生轉(zhuǎn)移，轉(zhuǎn)移到目的地址上執(zhí)行；當(dāng)不滿足條件時，順序向下執(zhí)行。條件轉(zhuǎn)移指令大都采用相對尋址，轉(zhuǎn)移目的地址必須在規(guī)定的范圍內(nèi)。3.軟中斷指令及中斷返回指令在CPU中，一般都會設(shè)置軟件中斷指令。當(dāng)程序執(zhí)行到軟件中斷指令I(lǐng)NT時，便中斷當(dāng)前程序的執(zhí)行，轉(zhuǎn)向該中斷的中斷處理程序。不同的CPU中軟中斷指令的格式不一樣，響應(yīng)的過程也不一樣，有關(guān)細(xì)節(jié)參見第8章。中斷處理程序結(jié)束時，要再執(zhí)行一條中斷返回指令I(lǐng)RET，才可返回到源程序。執(zhí)行IRET指令就能使CPU返回主程序的原中斷點，并開始執(zhí)行原來的程序。234.3.6處理器控制指令匯編格式操

作標(biāo)志位操作指令STC置進(jìn)位標(biāo)志，使CF=1CLC清進(jìn)位標(biāo)志，使CF=0CMC進(jìn)位標(biāo)志求反STD置方向標(biāo)志，使DF=1CLD清方向標(biāo)志，使DF=0STI開中斷標(biāo)志，使IF=1CLI清中斷標(biāo)志，使IF=0外部同步指令HLT使處理器處于停止?fàn)顟B(tài)，不執(zhí)行指令WAIT使處理器處于等待狀態(tài)LOCK封鎖總線指令，可放在任一指令前作為前綴NOP空操作指令，處理器什么操作也不做244.3.7串操作指令1.MOVS/MOVSB/MOVSW2.CMPS/CMPSB/CMPSW3.SCAS/SCASB/SCASW4.LODS/LODSB/LODSW5.STOS/STOSB/STOSW254.3.8位操作指令1.位傳送指令位傳送指令如下：MOVC,bit ;將位地址的內(nèi)容傳送到進(jìn)位標(biāo)志CF中MOVbit,C ;將進(jìn)位標(biāo)志CF的內(nèi)容傳送到位地址中2.位控制指令位控制指令如下?！LRC ;將進(jìn)位標(biāo)志CF清零·SETBC ;將進(jìn)位標(biāo)志CF置1·CLRbit ;將位地址的內(nèi)容清零·SETBbit ;將位地址的內(nèi)容置1·CPLC ;將進(jìn)位標(biāo)志CF取反·CPLbit ;將位地址的內(nèi)容取反264.3.8位操作指令3.位邏輯運算指令位邏輯運算指令如下。·ANLC,bit ;進(jìn)位標(biāo)志CF與位地址的內(nèi)容相與，結(jié)果放在CF中·ANLC,/bit ;進(jìn)位標(biāo)志CF與位地址的內(nèi)容的反碼相與，結(jié)果放在CF中·ORLC,bit ;進(jìn)位標(biāo)志CF與位地址的內(nèi)容相或，結(jié)果放在CF中·ORLC,/bit ;進(jìn)位標(biāo)志CF與位地址的內(nèi)容的反碼相或，結(jié)果放在CF中4.位轉(zhuǎn)移指令位轉(zhuǎn)移指令如下?！Bbit,rel ;若bit=1，則轉(zhuǎn)移；bit=0，則順序執(zhí)行·JNBbit,rel ;若bit=0，則轉(zhuǎn)移；bit=l，則順序執(zhí)行·JBCbit,rel ;若bit=1，則轉(zhuǎn)移并且0→bit；若bit=0，則順序執(zhí)行274.3.9其他指令除上面所提到的基本常用指令外，在許多CPU中還會設(shè)置一些功能更強的專用指令，如數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換指令、特權(quán)指令、DSP(數(shù)字信號處理)指令、MMX(SIMD多媒體)指令集、SSE(數(shù)據(jù)流SIMD擴展)指令集、SSE2指令集、SSE3指令集、SSE4指令集等，本書不作說明。284.4精簡指令集計算機在計算機的發(fā)展過程中，計算機的指令系統(tǒng)經(jīng)歷了從簡到繁、從繁到簡再到繁的過程，也就是由復(fù)雜指令集計算機(CISC)到精簡指令集計算機(RISC)再到兩者結(jié)合的過程。294.4.1指令系統(tǒng)的從簡到繁1.指令系統(tǒng)的發(fā)展2.復(fù)雜指令集計算機的特點(1)指令系統(tǒng)復(fù)雜，有更多的尋址方式，指令數(shù)目多達(dá)200～3000條。(2)指令長度不固定，有更多的指令格式和更多的尋址方式。(3)

CPU內(nèi)部的通用寄存器比較少。(4)有更多的可以訪問主存的指令。(5)指令種類繁多，但各種指令的使用頻度差別很大。(6)不同的指令執(zhí)行時間相差很大，一般都需要多個時鐘周期才能完成。(7)控制器大多采用微程序控制器來實現(xiàn)。(8)難以用優(yōu)化編譯的方法獲得高效率的目的代碼。304.4.2精簡指令集計算機的由來及特點1.精簡指令集計算機的由來2.精簡指令集計算機的特點(1)只設(shè)置使用頻度高的一些簡單指令，復(fù)雜指令的功能由多條簡單指令的組合來實現(xiàn)。(2)指令長度固定，指令種類少，尋址方式種類少。(3)訪存指令很少，有的RISC只有IDA(讀內(nèi)存