計算機組成原理-第四章-指令系統(tǒng)課件

1第四章指令系統(tǒng)4.1指令系統(tǒng)的發(fā)展與性能要求4.2指令格式4.3操作數(shù)類型4.4指令和數(shù)據(jù)的尋址方式4.5典型指令4.6ARM匯編語言返回1第四章指令系統(tǒng)4.1指令系統(tǒng)的發(fā)展與性能要求返回124.1指令系統(tǒng)的發(fā)展與性能要求4.1.1指令系統(tǒng)的發(fā)展4.1.2對指令系統(tǒng)性能的要求4.1.3低級語言與硬件結(jié)構(gòu)的關(guān)系

24.1指令系統(tǒng)的發(fā)展與性能要求4.1.1指令系統(tǒng)的發(fā)展234.1.1指令系統(tǒng)的發(fā)展指令系統(tǒng)基本概念指令：就是要計算機執(zhí)行某種操作的命令。從計算機組成的層次結(jié)構(gòu)來說，計算機的指令有微指令、機器指令和宏指令之分。微指令是微程序級的命令，它屬于硬件；宏指令：由若干條機器指令組成的軟件指令，它屬于軟件；機器指令：介于微指令與宏指令之間，通常簡稱為指令，每一條指令可完成一個獨立的算術(shù)運算或邏輯運算操作。本章所討論的指令，是機器指令。一臺計算機中所有機器指令的集合，稱為這臺計算機的指令系統(tǒng)。指令系統(tǒng)是表征一臺計算機性能的重要因素，它的格式與功能不僅直接影響到機器的硬件結(jié)構(gòu)，而且也直接影響到系統(tǒng)軟件，影響到機器的適用范圍34.1.1指令系統(tǒng)的發(fā)展指令系統(tǒng)基本概念344.1.1指令系統(tǒng)的發(fā)展發(fā)展情況復(fù)雜指令系統(tǒng)計算機，簡稱CISC。指令系統(tǒng)多達二三百條。CISC中大約有20%的指令使用頻率高，占據(jù)了80%的處理機時間，而有80%的不常用指令只占用處理機的20%時間。VLSI技術(shù)發(fā)展引起的問題VLSI工藝要求規(guī)整性，而大量復(fù)雜指令控制邏輯極其不規(guī)整，給VLSI工藝造成了很大的困難?，F(xiàn)在用微程序?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜指令與用簡單指令組成的子程序相比，沒有多大的區(qū)別。因為現(xiàn)在控制存儲器和主存的速度差縮小。CISC中，通過增強指令系統(tǒng)的功能，簡化了軟件，增加了硬件的復(fù)雜程度。然而指令復(fù)雜了，指令的執(zhí)行時間必然加長，從而使整個系統(tǒng)的執(zhí)行時間反而增加，因而在計算機體系結(jié)構(gòu)設(shè)計中，軟硬件的功能分配必須恰當(dāng)，但是如此龐大的指令系統(tǒng)不但使計算機的研制周期變長，難以保證正確性，不易調(diào)試維護，而且由于采用了大量使用頻率很低的復(fù)雜指令而造成硬件資源浪費。精簡指令系統(tǒng)計算機：簡稱RISC，人們又提出了便于VLSI技術(shù)實現(xiàn)的精簡指令系統(tǒng)計算機。(1)選取使用頻率高的簡單指令，指令條數(shù)少。(2)指令條數(shù)固定，指令格式種類少，尋址方式種類少。(3)只有取數(shù)、存數(shù)指令訪問存儲器，其他指令的操作都在寄存器之間進行。44.1.1指令系統(tǒng)的發(fā)展發(fā)展情況454.1.2對指令系統(tǒng)性能的要求完備性：完備性是指用匯編語言編寫各種程序時，指令系統(tǒng)直接提供的指令足夠使用，而不必用軟件來實現(xiàn)。完備性要求指令系統(tǒng)豐富、功能齊全、使用方便。一臺計算機中最基本、必不可少的指令是不多的。許多指令可用最基本的指令編程來實現(xiàn)。例如，乘除運算指令、浮點運算指令可直接用硬件來實現(xiàn)，也可用基本指令編寫的程序來實現(xiàn)。采用硬件指令的目的是提高程序執(zhí)行速度，便于用戶編寫程序。有效性：有效性是指利用該指令系統(tǒng)所編寫的程序能夠高效率地運行。高效率主要表現(xiàn)在程序占據(jù)存儲空間小、執(zhí)行速度快。一般來說，一個功能更強、更完善的指令系統(tǒng)，必定有更好的有效性。規(guī)整性：規(guī)整性包括指令系統(tǒng)的對稱性、勻齊性、指令格式和數(shù)據(jù)格式的一致性。對稱性是指：在指令系統(tǒng)中所有的寄存器和存儲器單元都可同等對待，所有的指令都可使用各種尋址方式；勻齊性是指：一種操作性質(zhì)的指令可以支持各種數(shù)據(jù)類型，如算術(shù)運算指令可支持字節(jié)、字、雙字整數(shù)的運算，十進制數(shù)運算和單、雙精度浮點數(shù)運算等；指令格式和數(shù)據(jù)格式的一致性是指：指令長度和數(shù)據(jù)長度有一定的關(guān)系，以方便處理和存取。例如指令長度和數(shù)據(jù)長度通常是字節(jié)長度的整數(shù)倍。兼容性：系列機各機種之間具有相同的基本結(jié)構(gòu)和共同的基本指令集，因而指令系統(tǒng)是兼容的，即各機種上基本軟件可以通用。但由于不同機種推出的時間不同，在結(jié)構(gòu)和性能上有差異，做到所有軟件都完全兼容是不可能的，只能做到“向上兼容”，即低檔機上運行的軟件可以在高檔機上運行。54.1.2對指令系統(tǒng)性能的要求完備性：完備性是指用匯編語564.1.3低級語言與硬件結(jié)構(gòu)的關(guān)系低級語言與高級語言關(guān)系

比較內(nèi)容高級語言低級語言

1對程序員的訓(xùn)練要求(1)通用算法(2)語言規(guī)則(3)硬件知識

有較少不要

有較多要

2對機器獨立的程度獨立不獨立

3編制程序的難易程度易難

4編制程序所需時間短較長

5程序執(zhí)行時間較長短

6編譯過程中對計算機資源的要求多少64.1.3低級語言與硬件結(jié)構(gòu)的關(guān)系低級語言與高級語言關(guān)系674.2指令格式4.2.1操作碼4.2.2地址碼4.2.3指令字長度4.2.4指令助記符4.2.5指令格式舉例指令格式包括兩個方面：操作碼字段地址碼字段74.2指令格式4.2.1操作碼操作碼字段地址碼字段784.2.1操作碼設(shè)計計算機時，對指令系統(tǒng)的每一條指令都要規(guī)定一個操作碼。指令的操作碼OP表示該指令應(yīng)進行什么性質(zhì)的操作，如進行加法、減法、乘法、除法、取數(shù)、存數(shù)等等。不同的指令用操作碼字段的不同編碼來表示，每一種編碼代表一種指令。組成操作碼字段的位數(shù)一般取決于計算機指令系統(tǒng)的規(guī)模。較大的指令系統(tǒng)就需要更多的位數(shù)來表示每條特定的指令。等長（指令規(guī)整，譯碼簡單）例如IBM370機，該機字長32位，16個通用寄存器R0～R15，共有183條指令；指令的長度可以分為16位、32位和48位等幾種，所有指令的操作碼都是8位固定長度。固定長度編碼的主要缺點是：信息的冗余極大，使程序的總長度增加。84.2.1操作碼設(shè)計計算機時，對指令系統(tǒng)的每一條指令都要894.2.2地址碼根據(jù)一條指令中有幾個操作數(shù)地址，可將該指令稱為幾操作數(shù)指令或幾地址指令。三地址指令二地址指令單地址指令零地址指令操作碼（4位）Ａ1（6位）操作碼（4位）Ａ1（6位）Ａ2（6位）操作碼（4位）Ａ1（6位）Ａ2（6位）操作碼A3（6位）94.2.2地址碼根據(jù)一條指令中有幾個操作數(shù)地址，可將該指9104.2.2地址碼三地址指令指令格式如下：OPA1A2A3操作碼op

第一操作數(shù)A1

第二操作數(shù)A2

結(jié)果A3功能描述：(A1)op(A2)→A3(PC)+1→PC這種格式雖然省去了一個地址，但指令長度仍比較長，所以只在字長較長的大、中型機中使用，而小型、微型機中很少使用。104.2.2地址碼三地址指令10114.2.2地址碼二地址指令其格式如下：OPA1A2操作碼op第一操作數(shù)A1第二操作數(shù)A2

功能描述：(A1)op(A2)→A1(PC)+1→PC二地址指令在計算機中得到了廣泛的應(yīng)用，但是在使用時有一點必須注意：指令執(zhí)行之后，A1中原存的內(nèi)容已經(jīng)被新的運算結(jié)果替換了。114.2.2地址碼二地址指令11124.2.2地址碼二地址地址根據(jù)操作數(shù)的物理位置分為：SS存儲器-存儲器類型RS寄存器-存儲器類型RR寄存器-寄存器類型 慢124.2.2地址碼二地址地址根據(jù)操作數(shù)的物理位置分為：慢12134.2.2地址碼一地址指令指令格式為：OPA1操作碼op

第一操作數(shù)A1功能描述：(AC)op(A1)→A1(PC)+1→PC單操作數(shù)運算指令，如“+1”、“-1”、“求反”指令中給出一個源操作數(shù)的地址134.2.2地址碼一地址指令13144.2.2地址碼零地址指令

其格式為：OP操作碼op“停機”、“空操作”、“清除”等控制類指令。144.2.2地址碼零地址指令

14154.2.3指令字長度概念指令字長度（一個指令字包含二進制代碼的位數(shù)）機器字長：計算機能直接處理的二進制數(shù)據(jù)的位數(shù)。單字長指令半字長指令雙字長指令多字長指令的優(yōu)缺點優(yōu)點提供足夠的地址位來解決訪問內(nèi)存任何單元的尋址問題；缺點必須兩次或多次訪問內(nèi)存以取出一整條指令，降低了CPU的運算速度，又占用了更多的存儲空間。指令系統(tǒng)中指令采用等長指令的優(yōu)點：各種指令字長度是相等的，指令字結(jié)構(gòu)簡單，且指令字長度是不變的；采用非等長指令的的優(yōu)點：各種指令字長度隨指令功能而異，結(jié)構(gòu)靈活，能充分利用指令長度，但指令的控制較復(fù)雜。154.2.3指令字長度概念15164.2.4指令助記符由于硬件只能識別1和0，所以采用二進制操作碼是必要的，但是我們用二進制來書寫程序卻非常麻煩。為了便于書寫和閱讀程序，每條指令通常用3個或4個英文縮寫字母來表示。這種縮寫碼叫做指令助記符用3～4個英文字母來表示操作碼，一般為英文縮寫不同的計算機系統(tǒng)，規(guī)定不一樣必須用匯編語言翻譯成二進制代碼164.2.4指令助記符由于硬件只能識別1和0，所以采用二164.2.4指令助記符典型指令助記符加法ADD001減法SUB010傳送MOV011跳轉(zhuǎn)JMP100轉(zhuǎn)子程序JSR101存數(shù)STO110取數(shù)LAD1114.2.4指令助記符典型指令助記符17184.2.5指令格式舉例8位微型計算機的指令格式如8088，字長8位，指令結(jié)構(gòu)可變包括單字長指令、雙字長指令和三字長指令操作碼長度固定184.2.5指令格式舉例8位微型計算機的指令格式18194.2.5指令格式舉例MIPSR400020世紀(jì)80年代后期RISC計算機系統(tǒng)，32位字長，32個通用寄存器。

R型（寄存器）指令：算術(shù)運算數(shù)據(jù)放在通用寄存器中

6位5位5位5位5位6位

oprsrtrdshamtfunct

I型（立即數(shù)）指令：取數(shù)、存數(shù)指令訪問存儲器

6位5位5位16位

op

rs

rt

常數(shù)或地址194.2.5指令格式舉例MIPSR400020世紀(jì)819204.2.5指令格式舉例：ARM指令格式204.2.5指令格式舉例：ARM指令格式20214.2.5指令格式舉例[例1]分析下列指令格式的特點1597430OP----源寄存器目標(biāo)寄存器解：1.單字長二地址指令2.操作碼字段可以指定128條指令3.源寄存器和目標(biāo)寄存器都是通用寄存器，兩個操作都在寄存器中，RR型指令4.常用于算術(shù)邏輯運算214.2.5指令格式舉例[例1]分析下列指令格式的特點21224.2.5指令格式舉例[例2]分析下列指令格式的特點15107430OP----源寄存器變址寄存器位移量(16位)解：1.雙字長二地址指令，訪問存儲器2.操作碼字段可以指定64條指令3.一個操作數(shù)在源寄存器中，另一個在存儲器中(由變址寄存器和位移量決定)，RS型指令224.2.5指令格式舉例[例2]分析下列指令格式的特點22234.2.5指令格式舉例[例3]MIPSR4000匯編語言中，寄存器$s0～$s7對應(yīng)寄存器號為十進制16～23，寄存器$t0～$t7對應(yīng)的寄存器號為8～15。請將下表4條匯編語言翻譯成對應(yīng)的機器語言十進制數(shù)表示。

234.2.5指令格式舉例[例3]MIPSR4000匯23244.3操作數(shù)類型4.3.1一般的數(shù)據(jù)類型4.3.2Pentium數(shù)據(jù)類型4.3.3PowerPC數(shù)據(jù)類型

244.3操作數(shù)類型4.3.1一般的數(shù)據(jù)類型24254.3.1一般的數(shù)據(jù)類型地址數(shù)據(jù):無符號整數(shù)。數(shù)值數(shù)據(jù):計算機中普遍使用的三種類型的數(shù)值數(shù)據(jù)1.定點整數(shù)，小數(shù)2.浮點數(shù)3.壓縮十進制數(shù)。字符數(shù)據(jù):文本數(shù)據(jù)或字符串，目前廣泛使用ASCII碼。邏輯數(shù)據(jù):一個單元中有幾位二進制bit項組成，每個bit的值可以是1或0。當(dāng)數(shù)據(jù)以這種方式看待時，稱為邏輯性數(shù)據(jù)。254.3.1一般的數(shù)據(jù)類型地址數(shù)據(jù):無符號整數(shù)。25264.3.2Pentium數(shù)據(jù)類型常規(guī):字節(jié),字(16位),雙字(32位),四字(64位)

整數(shù):字節(jié)，字，雙字，四字有符號二進制數(shù)序數(shù)：字節(jié)，字，雙字，四字無符號整數(shù)

未壓縮的BCD:范圍0-9的BCD數(shù)字表示，每字節(jié)一個數(shù)字

壓縮的BCD:每字節(jié)表示兩個BCD數(shù)字，范圍00-99近指針:段內(nèi)偏移的32位有效地址

位串：一個連續(xù)的位序列

字符串：

浮點數(shù)：單精度雙精度264.3.2Pentium數(shù)據(jù)類型常規(guī):字節(jié),字26274.3.3PowerPC數(shù)據(jù)類型無符號字節(jié):邏輯和整數(shù)算術(shù)運算，由存儲器取出裝入通用寄存器時，寄存器左端以0填充

無符號半字：16位

有符號半字：16位算術(shù)運算，由存儲器取出裝入寄存器時，要進行符號位擴展，所有空出位都用符號位填充

無符號字：32位邏輯運算，或作為地址指針

有符號字：32位算術(shù)運算

無符號雙字：64位地址指針

字節(jié)串：0-128字節(jié)

浮點數(shù)：IEEE754單精度雙精度

274.3.3PowerPC數(shù)據(jù)類型無符號字節(jié)27284.4指令和數(shù)據(jù)的尋址方式4.4.1指令的尋址方式4.4.2操作數(shù)基本尋址方式4.4.3尋址方式舉例

284.4指令和數(shù)據(jù)的尋址方式4.4.1指令的尋址方式28294.4.1指令的尋址方式順序方式PC跳躍方式:由本條指令給出下條指令的地址碼，PC的內(nèi)容也必須相應(yīng)改變，跳躍尋址可以實現(xiàn)程序轉(zhuǎn)移或者構(gòu)成循環(huán)程序CAI294.4.1指令的尋址方式順序方式CAI29304.4.2操作數(shù)基本尋址方式形成操作數(shù)有效地址的方法，稱為尋址方式。例如，一種單地址指令的結(jié)構(gòu)如下：

操作碼OP、變址X、間址I、形式地址A304.4.2操作數(shù)基本尋址方式形成操作數(shù)有效地址的方法，30314.4.2操作數(shù)基本尋址方式CAI314.4.2操作數(shù)基本尋址方式CAI31324.4.2操作數(shù)基本尋址方式1、隱含尋址指令中隱含著操作數(shù)的地址如某些運算，隱含了累加器AC作為源和目的寄存器ADD100H324.4.2操作數(shù)基本尋址方式1、隱含尋址32334.4.2操作數(shù)基本尋址方式2、立即尋址立即尋址是一種特殊的尋址方式，指令中在操作碼字段后面的部分不是通常意義上的操作數(shù)地址，而是操作數(shù)本身，也就是說數(shù)據(jù)就包含在指令中，只要取出指令，就取出了可以立即使用的操作數(shù)，節(jié)省了訪問內(nèi)存的時間。因此，這樣的操作數(shù)被稱為立即數(shù)。指令格式：操作碼OP

操作數(shù)AADDax,100H334.4.2操作數(shù)基本尋址方式2、立即尋址33344.4.2操作數(shù)基本尋址方式3、直接尋址

指令中地址碼字段給出的地址A就是操作數(shù)的有效地址EA(EffectiveAddress)，即EA＝A。344.4.2操作數(shù)基本尋址方式3、直接尋址34354.4.2操作數(shù)基本尋址方式4、間接尋址

間接尋址意味著指令的地址碼部分給出的地址A不是操作數(shù)的地址，而是存放操作數(shù)地址的主存單元的地址，簡稱操作數(shù)地址的地址。操作數(shù)的有效地址的計算公式為：EA＝(A)，訪問內(nèi)存兩次354.4.2操作數(shù)基本尋址方式4、間接尋址35364.4.2操作數(shù)基本尋址方式5、寄存器尋址在指令的地址碼部分給出CPU內(nèi)某一通用寄存器的編號，指令的操作數(shù)存放在相應(yīng)的寄存器中，即EA=Ri優(yōu)點：(1)由于寄存器在CPU的內(nèi)部，指令在執(zhí)行時從寄存器中取操作數(shù)比訪問主存要快得多；(2)由于寄存器的數(shù)量較少，因此寄存器編號所占位數(shù)也較少，從而可以有效減少指令的地址碼字段的長度。364.4.2操作數(shù)基本尋址方式5、寄存器尋址優(yōu)點：36374.4.2操作數(shù)基本尋址方式6、寄存器間接尋址

為了克服間接尋址中多次訪存的缺點，可采用寄存器間接尋址，即將操作數(shù)放在主存儲器中，而操作數(shù)的地址放在某一通用寄存器中，然后在指令的地址碼部分給出該通用寄存器的編號，這時有EA=(Ri)這種尋址方式的指令較短，并且在取指后只需一次訪存便可得到操作數(shù)，因此指令執(zhí)行速度較前述的間接尋址方式要快，也是目前在計算機中使用較為廣泛的一種尋址方式。374.4.2操作數(shù)基本尋址方式6、寄存器間接尋址

這種尋37384.4.2操作數(shù)基本尋址方式7、偏移尋址相對尋址：由程序計數(shù)器PC提供基準(zhǔn)地址，而指令的地址碼部分給出相對的位移量D，兩者相加后作為操作數(shù)的有效地址，即：EA＝(PC)＋D。384.4.2操作數(shù)基本尋址方式7、偏移尋址38394.4.2操作數(shù)基本尋址方式7、偏移尋址：基址尋址將主存空間分成若干段，每段首地址存放在基址寄存器中?；芳拇嫫鞯奈粩?shù)可以設(shè)置得很長，從而可以在較大的存儲空間中尋址?；穼ぶ分饕糜跒槌绦蚧驍?shù)據(jù)分配存儲空間，基址寄存器的內(nèi)容通常由操作系統(tǒng)確定，在程序執(zhí)行過程中其值是不變的，指令中的形式地址是可變的394.4.2操作數(shù)基本尋址方式7、偏移尋址：基址尋址39404.4.2操作數(shù)基本尋址方式7、偏移尋址：變址尋址變址尋址就是將指令的地址碼部分給出的基準(zhǔn)地址A與CPU內(nèi)某特定的變址寄存器Rx中的內(nèi)容相加，以形成操作數(shù)的有效地址。EA=A+(R)。變址寄存器的內(nèi)容由用戶設(shè)定，程序執(zhí)行中是可變的。變址的用途是為重復(fù)操作的完成提供一種高效機制。例如主存位置A處存放一數(shù)值列表，要給每個元素加1。我們需要取每個數(shù)位，對它加1，然后再存回。需要的有效地址序列是A,A+1,A+2,...直到最后一個位置。此時值A(chǔ)存入指令地址字段，再用一個變址寄存器。每次操作完成后，變址寄存器的內(nèi)容+1.(R)+1->R404.4.2操作數(shù)基本尋址方式7、偏移尋址：變址尋址404.4.2操作數(shù)基本尋址方式求N個數(shù)的平均值直接尋址LDAD

ADDD+1ADDD+2…ADDD+(N-1)DIV#NSTAANS[D]→ACC

[ACC]+[D+1]→ACC

[ACC]+[D+2]→ACC

…[ACC]+[D+N-1]→ACC

[ACC]÷N→ACC

[ACC]→ANS(主存單元)

4.4.2操作數(shù)基本尋址方式求N個數(shù)的平均值414.4.2操作數(shù)基本尋址方式求N個數(shù)的平均值變址尋址

LDA#0

LDX#0MADDX,D

INX

CPX#N

BNEM

DIV#N

STAANS0→ACC0→X(變址寄存器)[ACC]+[D+(X)]→ACC[X]+1→X判斷[X]-N,結(jié)果為0，Z=1，結(jié)果非0，Z=0.Z是零標(biāo)志位當(dāng)Z=1順序執(zhí)行，Z=0跳轉(zhuǎn)到M[ACC]÷N→ACC

[ACC]→ANS(主存單元)4.4.2操作數(shù)基本尋址方式求N個數(shù)的平均值42434.4.2操作數(shù)基本尋址方式8、段尋址方式

存儲空間劃分為多段給定20位的地址空間，在尋址一個內(nèi)存單元時，由一個基地址再加上某些寄存器提供的16位偏移量形成20位的物理地址?；刂肪褪嵌渭拇嫫鳌?34.4.2操作數(shù)基本尋址方式8、段尋址方式

存儲空間43444.4.2操作數(shù)基本尋址方式9.堆棧尋址以先進后出原理存儲數(shù)據(jù).棧頂指針SP進棧：PUSHDATADATA->SP(SP)-1->SP出棧：POPDATA

(SP)+1->SP

444.4.2操作數(shù)基本尋址方式9.堆棧尋址44堆棧尋址舉例15200HACCSPX棧頂200H棧底主存151FFHACCSP15棧頂200H棧底主存X1FFHPUSHA前PUSHA后POPA前POPA后Y1FFHACCSPX棧頂200H棧底主存151FFH15200HACCSP棧頂200H棧底主存X157.3堆棧尋址舉例15200HACCSPX棧頂200H棧底主存15454.4.2操作數(shù)基本尋址方式例1

某微機的指令格式如下所示：

15109870操作碼XDD:位移量X:尋址特征位X=00：直接尋址；X=01：用變址寄存器X1進行變址；X=10：用變址寄存器X2進行變址；X=11：相對尋址設(shè)（PC）=1234H,(X1)=0037H,(X2)=1122H(H代表十六進制數(shù))，請確定下列指令中操作數(shù)的有效地①4420H②2244H③1322H④3521H⑤6723H4.4.2操作數(shù)基本尋址方式例1某微機的指令格式如下所示464.4.2操作數(shù)基本尋址方式解:1）X=00,D=20H,有效地址E=20H

2)X=10,D=44H有效地址E=1122H+44H=1166H

3)X=11,D=22H有效地址E=1234H+22H=1256H

4)X=01,D=21H有效地址E=0037H+21H=0058H

5）X=11,D=23H有效地址E=1234H+23H=1257H

4.4.2操作數(shù)基本尋址方式解:1）X=00,D=2474.4.2操作數(shù)基本尋址方式例2設(shè)相對尋址的轉(zhuǎn)移指令占三個字節(jié)，第一個字節(jié)是操作碼，第二，三字節(jié)是相對位移(補碼表示),數(shù)據(jù)在存儲器中采用以低字節(jié)地址為字地址的存放方式。每當(dāng)CPU從存儲器中取出1個字節(jié)時，(PC)+1->PC(1)若PC當(dāng)前值是240(十進制)，要求轉(zhuǎn)移到290(十進制)，則轉(zhuǎn)移指令的第二，三字節(jié)的機器代碼是多少(2)若PC當(dāng)前值是240(十進制)，要求轉(zhuǎn)移到200(十進制)，則轉(zhuǎn)移指令的第二，三字節(jié)的機器代碼是多少解：(1)PC當(dāng)前值是240，取出指令后后PC的值是243,要求轉(zhuǎn)移到290,相對位移是290-243=47,轉(zhuǎn)換成補碼是2FH,數(shù)據(jù)在存儲器中采用以低字節(jié)地址為字地址的存放方式,第二字節(jié)是2FH,第三字節(jié)是00H.(2)(1)PC當(dāng)前值是240，取出指令后后PC的值是243,要求轉(zhuǎn)移到200,相對位移是200-243=-43,轉(zhuǎn)換成補碼是D5H,第二字節(jié)是D5H,第三字節(jié)是FFH.4.4.2操作數(shù)基本尋址方式例2設(shè)相對尋址的轉(zhuǎn)移指令占三484.4.2操作數(shù)基本尋址方式例3一條雙字長直接尋址的子程序調(diào)用指令，第一個字是操作碼和尋址特征，第二個字是地址碼5000H,假設(shè)PC當(dāng)前值是2000H,SP的內(nèi)容是0100H,棧頂內(nèi)容是2746H,存儲器按字節(jié)編址，CALL指令占四個字節(jié)，進棧先執(zhí)行(SP)-2->SP,問下列幾種情形下，PC,SP和棧頂內(nèi)容各是多少(1)CALL指令被讀取前(2)CALL指令被調(diào)用后(3)子程序返回后解:(1)CALL指令被讀取前，(PC)=2000H,(SP)=0100H,棧頂2746H(2)CALL指令被調(diào)用后,程序斷點2004H進棧，棧頂2004H,(SP)=0100H-2=00FEH,(PC)=子程序入口地址5000H(3)子程序返回后，程序斷點出棧，(PC)=2004H，(SP)=0100H,棧頂內(nèi)容是2746H4.4.2操作數(shù)基本尋址方式例3一條雙字長直接尋址的子程49指令格式設(shè)計例4某機器字長是16位，存儲器尋址空間是128字，變址時的位移量是-64---+63,16個通用寄存器均可作為變址寄存器，設(shè)計一套指令系統(tǒng)，滿足下列尋址類型的要求(1)直接尋址的二地址指令3條(2)變址尋址的一地址指令6條(3)寄存器尋址的二地址指令8條(4)直接尋址的一地址指令12條(5)零地址指令32條指令格式設(shè)計例4某機器字長是16位，存儲器尋址空間是128字50指令格式設(shè)計(1)OPA1A200011027711作為擴展(2)OPRx(寄存器)A11000—1110154711110和11111擴展(3)OPRiRj11110000—1111011184411111000—11111111擴展(4)OPA111110000—11111101197111111100—111111111擴展(5)OP1111111000000000— 16位1111111000011111指令格式設(shè)計(1)OPA151指令格式設(shè)計例5設(shè)某機配有基址寄存器和變址寄存器，采用1地址格式的指令系統(tǒng)，允許直接和間接尋址，指令字長，機器字長，存儲字長都是16位(1)若采用單字長指令，共能完成105種操作，則指令可直接尋址的范圍是多少？一次間接尋址的范圍是多少？畫出指令格式并說明各字段的含義(2)若存儲字長不變，可采用什么方法直接訪問容量是16MB的主存？指令格式設(shè)計例5設(shè)某機配有基址寄存器和變址寄存器，采用152指令格式設(shè)計解:(1)完成105種操作，操作碼取7位，因允許直接，間接尋址，且有基址寄存器和變址寄存器.尋址特征位M2位形式地址AD16-7-2=7位OP（7）M（2）AD（7）直接尋址128,一次間接尋址216=65536容量是16MB存儲器正好與存儲字長是16位的8M存儲器容量相等，采用雙字長指令,操作碼和尋址特征位不變OP(7)M(2)AD1(7)AD2(16)形式地址23位223=8M指令格式設(shè)計解:(1)完成105種操作，操作碼取7位，因允許53指令格式設(shè)計例6某模型機共有64種操作，操作碼位數(shù)固定，具有以下特點:(1)采用1地址或者2地址格式(2)有寄存器尋址，直接尋址，相對尋址(相對位移-128~~+127)三種尋址方式(3)有16個通用寄存器，算術(shù)運算和邏輯運算的操作數(shù)都在寄存器中，結(jié)果也在寄存器中(4)取數(shù)，存數(shù)指令在通用寄存器和存儲器之間傳送數(shù)據(jù)(5)存儲器容量是1MB,按字節(jié)編址。要求設(shè)計算術(shù)邏輯指令，取數(shù)，存數(shù)指令和相對轉(zhuǎn)移指令指令格式設(shè)計例6某模型機共有64種操作，操作碼位數(shù)固定，具有54指令格式設(shè)計(1)算術(shù)邏輯指令為寄存器-寄存器型，單字長OP(6)M(2)Ri(4)Rj(4)(2)取數(shù)存數(shù)指令是寄存器-存儲器型，雙字長OP(6)M(2)Ri(4)A1(4)A2(16)A1和A共20位，可直接訪問按存儲器編址的1MB存儲器(3)相對轉(zhuǎn)移指令是一地址單字長OP(6)M(2)A(8)A是位移量指令格式設(shè)計(1)算術(shù)邏輯指令為寄存器-寄存器型，單字長55564.4.2操作數(shù)基本尋址方式例4.4：將ARM匯編語言翻譯成機器語言。已知5條ARM指令格式譯碼如下表所示：

設(shè)r3寄存器中保存數(shù)組A的基值，h放在寄存器r2中。C語言程序語句A[30]=h+A[30]可編譯成如下3條匯編語句指令：

LDRr5,[r3,#120]

;寄存器r5中獲得A[30]

ADDr5,r2,r5,

;寄存器r5中獲得h+A[30]

STRr5,[r3,#120]

;將h+A[30]存入到A[30]

請問這3條匯編語言指令的機器語言是什么？564.4.2操作數(shù)基本尋址方式例4.4：將ARM匯編語言56574.4.2操作數(shù)基本尋址方式解：首先利用十進制數(shù)來表示機器語言指令，然后轉(zhuǎn)換成二進制機器指令。從表4.3中我們可以確定3條機器語言指令：

LDR指令在第3字段（opcond）用操作碼24確定?；导拇嫫?指定在第4字段（Rn），目的寄存器5指定在第6字段（Rd），選擇A[30]（120＝30×4）的offset字段放在最后一個字段（offset12）。

ADD指令在第4字段（opcode）用操作碼4確定。3個寄存器操作（2、5和5）分別被指定在第6、7、8字段。

STR指令在第3字段用操作碼25確定，其余部分與LDR指令相同。574.4.2操作數(shù)基本尋址方式解：首先利用十進制數(shù)來表示57584.4.3尋址方式舉例Pentium的尋址方式CAI584.4.3尋址方式舉例Pentium的尋址方式CAI58594.4.3尋址方式舉例方式算法立即作數(shù)=A寄存器LA=R偏移量LA=(SR)+A基址

LA=(SR)+(B)基址帶偏移量LA=(SR)+(B)+A比例變址帶偏移量LA=(SR)+(I)×S+A基址帶變址和偏移量LA=(SR)+(B)+(I)+A基址帶比例變址和偏移量LA=(SR)+(B)+(I)×S+A相對LA=(PC)+APentium的尋址方式594.4.3尋址方式舉例方式算法立即作數(shù)=A寄存器LA=59604.4.3尋址方式舉例[例4]一種二地址RS型指令的結(jié)構(gòu)如下：

6位4位1位2位16位

OP通用寄存器IX偏移量D

其中I為間接尋址標(biāo)志位，X為尋址模式字段，D為偏移量字段。通過I，X，D的組合，可構(gòu)成如下尋址方式：

請寫出6種尋址方式的名稱。

604.4.3尋址方式舉例[例4]一種二地址RS型指令的60614.4.3尋址方式舉例[例5]將ARM匯編語言翻譯成機器語言。已知5條ARM指令格式譯碼如下表所示：設(shè)r3寄存器中保存數(shù)組A的基址，h放在寄存器r2中。C語言程序語句

A[30]=h+A[30]可編譯成如下3條匯編語言指令：

LDRr5,[r3,#120];寄存器r5中獲得A[30]

ADDr5,r2,r5;寄存器r5中獲得h+A[30]

STRr5,[r3,#120];將h+A[30]存入到A[30]

請問這3條匯編語言指令的機器語言是什么？

614.4.3尋址方式舉例[例5]將ARM匯編語言翻譯成61624.5典型指令4.5.1指令的分類

4.5.2基本指令系統(tǒng)的操作

4.5.3精簡指令系統(tǒng)

624.5典型指令4.5.1指令的分類

4.5.62634.5.1指令的分類數(shù)據(jù)傳送類指令一般傳送指令：

MOVAX，BX數(shù)據(jù)交換指令：

XCHG堆棧操作指令：

PUSH，POP運算類指令算術(shù)運算指令：

加、減、乘、除以及加1、減1、比較邏輯運算指令：

移位指令

程序控制類指令

程序控制類指令用于控制程序的執(zhí)行方向，并使程序具有測試、分析與判斷的能力。

輸入和輸出指令、字符串處理指令、特權(quán)指令、其他指令634.5.1指令的分類數(shù)據(jù)傳送類指令63644.5.2基本指令系統(tǒng)的操作

20%和80%規(guī)律：CISC中大約有20%的指令使用頻率高，占據(jù)了80%的處理機時間，而有80%的不常用指令只占用處理機的20%時間。VLSI技術(shù)發(fā)展引起的問題VLSI工藝要求規(guī)整性，而大量復(fù)雜指令控制邏輯極其不規(guī)整，給VLSI工藝造成了很大的困難?，F(xiàn)在用微程序?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜指令與用簡單指令組成的子程序相比，沒有多大的區(qū)別。因為現(xiàn)在控制存儲器和主存的速度差縮小。CISC中，通過增強指令系統(tǒng)的功能，簡化了軟件，增加了硬件的復(fù)雜程度。然而指令復(fù)雜了，指令的執(zhí)行時間必然加長，從而使整個系統(tǒng)的執(zhí)行時間反而增加，因而在計算機體系結(jié)構(gòu)設(shè)計中，軟硬件的功能分配必須恰當(dāng)644.5.2基本指令系統(tǒng)的操作 20%和80%規(guī)律：CI64654.5.3精簡指令系統(tǒng)

特點（采用流水線技術(shù)）簡單而統(tǒng)一格式的指令譯碼；大部分指令可以單周期執(zhí)行只有LOAD/STORE可以訪問存儲器簡單的尋址方式采用延遲轉(zhuǎn)移技術(shù)采用LOAD延遲技術(shù)三地址指令格式較多的寄存器對稱的指令格式返回654.5.3精簡指令系統(tǒng) 特點（采用流水線技術(shù)）返回65664.6ARM匯編語言

匯編語言是計算機機器語言（二進制指令代碼）進行符號化的一種表示方法，每一個基本匯編語句對應(yīng)一條機器指令。

表4.11列出了嵌入式處理機ARM的匯編語言。其中操作數(shù)使用16個寄存器（r0,r1～r12,sp,Ir,pc）,230個存儲字（字節(jié)編址，連續(xù)的字的地址間相差4）。返回CAICAI表4.11(上)表4.11(下)664.6ARM匯編語言匯編語言是計算機機器語言（66674.6ARM匯編語言在進行匯編語言程序設(shè)計時，可直接使用英文單詞或其縮寫表示指令，使用標(biāo)識表示數(shù)據(jù)或地址，從而有效地避免了記憶二進制的指令代碼。

不用由程序設(shè)計人員對指令和數(shù)據(jù)分配內(nèi)存地址，直接調(diào)用操作系統(tǒng)的某些程序段完成輸入輸出。

用編輯程序建立好的匯編語言源程序，需要經(jīng)過系統(tǒng)軟件中的“匯編器”翻譯為機器語言程序之后，才能交付給計算機硬件系統(tǒng)去執(zhí)行。

返回674.6ARM匯編語言在進行匯編語言程序設(shè)計時，6768本章小結(jié)一臺計算機中所有機器指令的集合，稱為這臺計算機的指令系統(tǒng)。指令系統(tǒng)是表征一臺計算機性能的重要因素，它的格式與功能不僅直接影響到機器的硬件結(jié)構(gòu)，而且也影響到系統(tǒng)軟件。指令格式是指令字用二進制代碼表示的結(jié)構(gòu)形式，通常由操作碼字段和地址碼字段組成。返回68本章小結(jié)一臺計算機中所有機器6869本章小結(jié)操作碼字段表征指令的操作特性與功能，而地址碼字段指示操作數(shù)的地址。目前多采用二地址、單地址、零地址混合方式的指令格式。指令字長度分為：單字長、半字長、雙字長三種形式。高檔微機采用32位長度的單字長形式。返回69本章小結(jié)操作碼字段表征指令的6970本章小結(jié)形成指令地址的方式，稱為指令尋址方式。有順序?qū)ぶ泛吞S尋址兩種，由指令計數(shù)器來跟蹤。形成操作數(shù)地址的方式，稱為數(shù)據(jù)尋址方式。操作數(shù)可放在專用寄存器、通用寄存器、內(nèi)存和指令中。數(shù)據(jù)尋址方式有隱含尋址、立即尋址、直接尋址、間接尋址、寄存器尋址、寄存器間接尋址、相對尋址、基值尋址、變址尋址、塊尋址、段尋址等多種。按操作數(shù)的物理位置不同，有RR型和RS型。前者比后者執(zhí)行的速度快。返回70本章小結(jié)形成指令地址的方式7071本章小結(jié)按結(jié)構(gòu)不同，分為寄存器堆棧和存儲器堆棧。不同機器有不同的指令系統(tǒng)。一個較完善的指令系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)包含數(shù)據(jù)傳送類指令、算術(shù)運算類指令、邏輯運算類指令、程序控制類指令、I/O類指令、字符串類指令、系統(tǒng)控制類指令。RISC指令系統(tǒng)是目前計算機發(fā)展的主流，也是CISC指令系統(tǒng)的改進，它的最大特點是：①指令條數(shù)少；②指令長度固定，指令格式和尋址方式種類少；③只有取數(shù)/存數(shù)指令訪問存儲器，其余指令的操作均在寄存器之間進行。返回71本章小結(jié)按結(jié)構(gòu)不同，分為寄存7172本章小結(jié)匯編語言與具體機器的依賴性很強。為了解該語言的特點，列出了目前流行的嵌入式處理機ARM的匯編語言。返回72本章小結(jié)匯編語言與具體機器的依賴性很強。為了解該語7273第四章指令系統(tǒng)4.1指令系統(tǒng)的發(fā)展與性能要求4.2指令格式4.3操作數(shù)類型4.4指令和數(shù)據(jù)的尋址方式4.5典型指令4.6ARM匯編語言返回1第四章指令系統(tǒng)4.1指令系統(tǒng)的發(fā)展與性能要求返回73744.1指令系統(tǒng)的發(fā)展與性能要求4.1.1指令系統(tǒng)的發(fā)展4.1.2對指令系統(tǒng)性能的要求4.1.3低級語言與硬件結(jié)構(gòu)的關(guān)系

24.1指令系統(tǒng)的發(fā)展與性能要求4.1.1指令系統(tǒng)的發(fā)展74754.1.1指令系統(tǒng)的發(fā)展指令系統(tǒng)基本概念指令：就是要計算機執(zhí)行某種操作的命令。從計算機組成的層次結(jié)構(gòu)來說，計算機的指令有微指令、機器指令和宏指令之分。微指令是微程序級的命令，它屬于硬件；宏指令：由若干條機器指令組成的軟件指令，它屬于軟件；機器指令：介于微指令與宏指令之間，通常簡稱為指令，每一條指令可完成一個獨立的算術(shù)運算或邏輯運算操作。本章所討論的指令，是機器指令。一臺計算機中所有機器指令的集合，稱為這臺計算機的指令系統(tǒng)。指令系統(tǒng)是表征一臺計算機性能的重要因素，它的格式與功能不僅直接影響到機器的硬件結(jié)構(gòu)，而且也直接影響到系統(tǒng)軟件，影響到機器的適用范圍34.1.1指令系統(tǒng)的發(fā)展指令系統(tǒng)基本概念75764.1.1指令系統(tǒng)的發(fā)展發(fā)展情況復(fù)雜指令系統(tǒng)計算機，簡稱CISC。指令系統(tǒng)多達二三百條。CISC中大約有20%的指令使用頻率高，占據(jù)了80%的處理機時間，而有80%的不常用指令只占用處理機的20%時間。VLSI技術(shù)發(fā)展引起的問題VLSI工藝要求規(guī)整性，而大量復(fù)雜指令控制邏輯極其不規(guī)整，給VLSI工藝造成了很大的困難?，F(xiàn)在用微程序?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜指令與用簡單指令組成的子程序相比，沒有多大的區(qū)別。因為現(xiàn)在控制存儲器和主存的速度差縮小。CISC中，通過增強指令系統(tǒng)的功能，簡化了軟件，增加了硬件的復(fù)雜程度。然而指令復(fù)雜了，指令的執(zhí)行時間必然加長，從而使整個系統(tǒng)的執(zhí)行時間反而增加，因而在計算機體系結(jié)構(gòu)設(shè)計中，軟硬件的功能分配必須恰當(dāng)，但是如此龐大的指令系統(tǒng)不但使計算機的研制周期變長，難以保證正確性，不易調(diào)試維護，而且由于采用了大量使用頻率很低的復(fù)雜指令而造成硬件資源浪費。精簡指令系統(tǒng)計算機：簡稱RISC，人們又提出了便于VLSI技術(shù)實現(xiàn)的精簡指令系統(tǒng)計算機。(1)選取使用頻率高的簡單指令，指令條數(shù)少。(2)指令條數(shù)固定，指令格式種類少，尋址方式種類少。(3)只有取數(shù)、存數(shù)指令訪問存儲器，其他指令的操作都在寄存器之間進行。44.1.1指令系統(tǒng)的發(fā)展發(fā)展情況76774.1.2對指令系統(tǒng)性能的要求完備性：完備性是指用匯編語言編寫各種程序時，指令系統(tǒng)直接提供的指令足夠使用，而不必用軟件來實現(xiàn)。完備性要求指令系統(tǒng)豐富、功能齊全、使用方便。一臺計算機中最基本、必不可少的指令是不多的。許多指令可用最基本的指令編程來實現(xiàn)。例如，乘除運算指令、浮點運算指令可直接用硬件來實現(xiàn)，也可用基本指令編寫的程序來實現(xiàn)。采用硬件指令的目的是提高程序執(zhí)行速度，便于用戶編寫程序。有效性：有效性是指利用該指令系統(tǒng)所編寫的程序能夠高效率地運行。高效率主要表現(xiàn)在程序占據(jù)存儲空間小、執(zhí)行速度快。一般來說，一個功能更強、更完善的指令系統(tǒng)，必定有更好的有效性。規(guī)整性：規(guī)整性包括指令系統(tǒng)的對稱性、勻齊性、指令格式和數(shù)據(jù)格式的一致性。對稱性是指：在指令系統(tǒng)中所有的寄存器和存儲器單元都可同等對待，所有的指令都可使用各種尋址方式；勻齊性是指：一種操作性質(zhì)的指令可以支持各種數(shù)據(jù)類型，如算術(shù)運算指令可支持字節(jié)、字、雙字整數(shù)的運算，十進制數(shù)運算和單、雙精度浮點數(shù)運算等；指令格式和數(shù)據(jù)格式的一致性是指：指令長度和數(shù)據(jù)長度有一定的關(guān)系，以方便處理和存取。例如指令長度和數(shù)據(jù)長度通常是字節(jié)長度的整數(shù)倍。兼容性：系列機各機種之間具有相同的基本結(jié)構(gòu)和共同的基本指令集，因而指令系統(tǒng)是兼容的，即各機種上基本軟件可以通用。但由于不同機種推出的時間不同，在結(jié)構(gòu)和性能上有差異，做到所有軟件都完全兼容是不可能的，只能做到“向上兼容”，即低檔機上運行的軟件可以在高檔機上運行。54.1.2對指令系統(tǒng)性能的要求完備性：完備性是指用匯編語77784.1.3低級語言與硬件結(jié)構(gòu)的關(guān)系低級語言與高級語言關(guān)系

比較內(nèi)容高級語言低級語言

1對程序員的訓(xùn)練要求(1)通用算法(2)語言規(guī)則(3)硬件知識

有較少不要

有較多要

2對機器獨立的程度獨立不獨立

3編制程序的難易程度易難

4編制程序所需時間短較長

5程序執(zhí)行時間較長短

6編譯過程中對計算機資源的要求多少64.1.3低級語言與硬件結(jié)構(gòu)的關(guān)系低級語言與高級語言關(guān)系78794.2指令格式4.2.1操作碼4.2.2地址碼4.2.3指令字長度4.2.4指令助記符4.2.5指令格式舉例指令格式包括兩個方面：操作碼字段地址碼字段74.2指令格式4.2.1操作碼操作碼字段地址碼字段79804.2.1操作碼設(shè)計計算機時，對指令系統(tǒng)的每一條指令都要規(guī)定一個操作碼。指令的操作碼OP表示該指令應(yīng)進行什么性質(zhì)的操作，如進行加法、減法、乘法、除法、取數(shù)、存數(shù)等等。不同的指令用操作碼字段的不同編碼來表示，每一種編碼代表一種指令。組成操作碼字段的位數(shù)一般取決于計算機指令系統(tǒng)的規(guī)模。較大的指令系統(tǒng)就需要更多的位數(shù)來表示每條特定的指令。等長（指令規(guī)整，譯碼簡單）例如IBM370機，該機字長32位，16個通用寄存器R0～R15，共有183條指令；指令的長度可以分為16位、32位和48位等幾種，所有指令的操作碼都是8位固定長度。固定長度編碼的主要缺點是：信息的冗余極大，使程序的總長度增加。84.2.1操作碼設(shè)計計算機時，對指令系統(tǒng)的每一條指令都要80814.2.2地址碼根據(jù)一條指令中有幾個操作數(shù)地址，可將該指令稱為幾操作數(shù)指令或幾地址指令。三地址指令二地址指令單地址指令零地址指令操作碼（4位）Ａ1（6位）操作碼（4位）Ａ1（6位）Ａ2（6位）操作碼（4位）Ａ1（6位）Ａ2（6位）操作碼A3（6位）94.2.2地址碼根據(jù)一條指令中有幾個操作數(shù)地址，可將該指81824.2.2地址碼三地址指令指令格式如下：OPA1A2A3操作碼op

第一操作數(shù)A1

第二操作數(shù)A2

結(jié)果A3功能描述：(A1)op(A2)→A3(PC)+1→PC這種格式雖然省去了一個地址，但指令長度仍比較長，所以只在字長較長的大、中型機中使用，而小型、微型機中很少使用。104.2.2地址碼三地址指令82834.2.2地址碼二地址指令其格式如下：OPA1A2操作碼op第一操作數(shù)A1第二操作數(shù)A2

功能描述：(A1)op(A2)→A1(PC)+1→PC二地址指令在計算機中得到了廣泛的應(yīng)用，但是在使用時有一點必須注意：指令執(zhí)行之后，A1中原存的內(nèi)容已經(jīng)被新的運算結(jié)果替換了。114.2.2地址碼二地址指令83844.2.2地址碼二地址地址根據(jù)操作數(shù)的物理位置分為：SS存儲器-存儲器類型RS寄存器-存儲器類型RR寄存器-寄存器類型 慢124.2.2地址碼二地址地址根據(jù)操作數(shù)的物理位置分為：慢84854.2.2地址碼一地址指令指令格式為：OPA1操作碼op

第一操作數(shù)A1功能描述：(AC)op(A1)→A1(PC)+1→PC單操作數(shù)運算指令，如“+1”、“-1”、“求反”指令中給出一個源操作數(shù)的地址134.2.2地址碼一地址指令85864.2.2地址碼零地址指令

其格式為：OP操作碼op“停機”、“空操作”、“清除”等控制類指令。144.2.2地址碼零地址指令

86874.2.3指令字長度概念指令字長度（一個指令字包含二進制代碼的位數(shù)）機器字長：計算機能直接處理的二進制數(shù)據(jù)的位數(shù)。單字長指令半字長指令雙字長指令多字長指令的優(yōu)缺點優(yōu)點提供足夠的地址位來解決訪問內(nèi)存任何單元的尋址問題；缺點必須兩次或多次訪問內(nèi)存以取出一整條指令，降低了CPU的運算速度，又占用了更多的存儲空間。指令系統(tǒng)中指令采用等長指令的優(yōu)點：各種指令字長度是相等的，指令字結(jié)構(gòu)簡單，且指令字長度是不變的；采用非等長指令的的優(yōu)點：各種指令字長度隨指令功能而異，結(jié)構(gòu)靈活，能充分利用指令長度，但指令的控制較復(fù)雜。154.2.3指令字長度概念87884.2.4指令助記符由于硬件只能識別1和0，所以采用二進制操作碼是必要的，但是我們用二進制來書寫程序卻非常麻煩。為了便于書寫和閱讀程序，每條指令通常用3個或4個英文縮寫字母來表示。這種縮寫碼叫做指令助記符用3～4個英文字母來表示操作碼，一般為英文縮寫不同的計算機系統(tǒng)，規(guī)定不一樣必須用匯編語言翻譯成二進制代碼164.2.4指令助記符由于硬件只能識別1和0，所以采用二884.2.4指令助記符典型指令助記符加法ADD001減法SUB010傳送MOV011跳轉(zhuǎn)JMP100轉(zhuǎn)子程序JSR101存數(shù)STO110取數(shù)LAD1114.2.4指令助記符典型指令助記符89904.2.5指令格式舉例8位微型計算機的指令格式如8088，字長8位，指令結(jié)構(gòu)可變包括單字長指令、雙字長指令和三字長指令操作碼長度固定184.2.5指令格式舉例8位微型計算機的指令格式90914.2.5指令格式舉例MIPSR400020世紀(jì)80年代后期RISC計算機系統(tǒng)，32位字長，32個通用寄存器。

R型（寄存器）指令：算術(shù)運算數(shù)據(jù)放在通用寄存器中

6位5位5位5位5位6位

oprsrtrdshamtfunct

I型（立即數(shù)）指令：取數(shù)、存數(shù)指令訪問存儲器

6位5位5位16位

op

rs

rt

常數(shù)或地址194.2.5指令格式舉例MIPSR400020世紀(jì)891924.2.5指令格式舉例：ARM指令格式204.2.5指令格式舉例：ARM指令格式92934.2.5指令格式舉例[例1]分析下列指令格式的特點1597430OP----源寄存器目標(biāo)寄存器解：1.單字長二地址指令2.操作碼字段可以指定128條指令3.源寄存器和目標(biāo)寄存器都是通用寄存器，兩個操作都在寄存器中，RR型指令4.常用于算術(shù)邏輯運算214.2.5指令格式舉例[例1]分析下列指令格式的特點93944.2.5指令格式舉例[例2]分析下列指令格式的特點15107430OP----源寄存器變址寄存器位移量(16位)解：1.雙字長二地址指令，訪問存儲器2.操作碼字段可以指定64條指令3.一個操作數(shù)在源寄存器中，另一個在存儲器中(由變址寄存器和位移量決定)，RS型指令224.2.5指令格式舉例[例2]分析下列指令格式的特點94954.2.5指令格式舉例[例3]MIPSR4000匯編語言中，寄存器$s0～$s7對應(yīng)寄存器號為十進制16～23，寄存器$t0～$t7對應(yīng)的寄存器號為8～15。請將下表4條匯編語言翻譯成對應(yīng)的機器語言十進制數(shù)表示。

234.2.5指令格式舉例[例3]MIPSR4000匯95964.3操作數(shù)類型4.3.1一般的數(shù)據(jù)類型4.3.2Pentium數(shù)據(jù)類型4.3.3PowerPC數(shù)據(jù)類型

244.3操作數(shù)類型4.3.1一般的數(shù)據(jù)類型96974.3.1一般的數(shù)據(jù)類型地址數(shù)據(jù):無符號整數(shù)。數(shù)值數(shù)據(jù):計算機中普遍使用的三種類型的數(shù)值數(shù)據(jù)1.定點整數(shù)，小數(shù)2.浮點數(shù)3.壓縮十進制數(shù)。字符數(shù)據(jù):文本數(shù)據(jù)或字符串，目前廣泛使用ASCII碼。邏輯數(shù)據(jù):一個單元中有幾位二進制bit項組成，每個bit的值可以是1或0。當(dāng)數(shù)據(jù)以這種方式看待時，稱為邏輯性數(shù)據(jù)。254.3.1一般的數(shù)據(jù)類型地址數(shù)據(jù):無符號整數(shù)。97984.3.2Pentium數(shù)據(jù)類型常規(guī):字節(jié),字(16位),雙字(32位),四字(64位)

整數(shù):字節(jié)，字，雙字，四字有符號二進制數(shù)序數(shù)：字節(jié)，字，雙字，四字無符號整數(shù)

未壓縮的BCD:范圍0-9的BCD數(shù)字表示，每字節(jié)一個數(shù)字

壓縮的BCD:每字節(jié)表示兩個BCD數(shù)字，范圍00-99近指針:段內(nèi)偏移的32位有效地址

位串：一個連續(xù)的位序列

字符串：

浮點數(shù)：單精度雙精度264.3.2Pentium數(shù)據(jù)類型常規(guī):字節(jié),字98994.3.3PowerPC數(shù)據(jù)類型無符號字節(jié):邏輯和整數(shù)算術(shù)運算，由存儲器取出裝入通用寄存器時，寄存器左端以0填充

無符號半字：16位

有符號半字：16位算術(shù)運算，由存儲器取出裝入寄存器時，要進行符號位擴展，所有空出位都用符號位填充

無符號字：32位邏輯運算，或作為地址指針

有符號字：32位算術(shù)運算

無符號雙字：64位地址指針

字節(jié)串：0-128字節(jié)

浮點數(shù)：IEEE754單精度雙精度

274.3.3PowerPC數(shù)據(jù)類型無符號字節(jié)991004.4指令和數(shù)據(jù)的尋址方式4.4.1指令的尋址方式4.4.2操作數(shù)基本尋址方式4.4.3尋址方式舉例

284.4指令和數(shù)據(jù)的尋址方式4.4.1指令的尋址方式1001014.4.1指令的尋址方式順序方式PC跳躍方式:由本條指令給出下條指令的地址碼，PC的內(nèi)容也必須相應(yīng)改變，跳躍尋址可以實現(xiàn)程序轉(zhuǎn)移或者構(gòu)成循環(huán)程序CAI294.4.1指令的尋址方式順序方式CAI1011024.4.2操作數(shù)基本尋址方式形成操作數(shù)有效地址的方法，稱為尋址方式。例如，一種單地址指令的結(jié)構(gòu)如下：

操作碼OP、變址X、間址I、形式地址A304.4.2操作數(shù)基本尋址方式形成操作數(shù)有效地址的方法，1021034.4.2操作數(shù)基本尋址方式CAI314.4.2操作數(shù)基本尋址方式CAI1031044.4.2操作數(shù)基本尋址方式1、隱含尋址指令中隱含著操作數(shù)的地址如某些運算，隱含了累加器AC作為源和目的寄存器ADD100H324.4.2操作數(shù)基本尋址方式1、隱含尋址1041054.4.2操作數(shù)基本尋址方式2、立即尋址立即尋址是一種特殊的尋址方式，指令中在操作碼字段后面的部分不是通常意義上的操作數(shù)地址，而是操作數(shù)本身，也就是說數(shù)據(jù)就包含在指令中，只要取出指令，就取出了可以立即使用的操作數(shù)，節(jié)省了訪問內(nèi)存的時間。因此，這樣的操作數(shù)被稱為立即數(shù)。指令格式：操作碼OP

操作數(shù)AADDax,100H334.4.2操作數(shù)基本尋址方式2、立即尋址1051064.4.2操作數(shù)基本尋址方式3、直接尋址

指令中地址碼字段給出的地址A就是操作數(shù)的有效地址EA(EffectiveAddress)，即EA＝A。344.4.2操作數(shù)基本尋址方式3、直接尋址1061074.4.2操作數(shù)基本尋址方式4、間接尋址

間接尋址意味著指令的地址碼部分給出的地址A不是操作數(shù)的地址，而是存放操作數(shù)地址的主存單元的地址，簡稱操作數(shù)地址的地址。操作數(shù)的有效地址的計算公式為：EA＝(A)，訪問內(nèi)存兩次354.4.2操作數(shù)基本尋址方式4、間接尋址1071084.4.2操作數(shù)基本尋址方式5、寄存器尋址在指令的地址碼部分給出CPU內(nèi)某一通用寄存器的編號，指令的操作數(shù)存放在相應(yīng)的寄存器中，即EA=Ri優(yōu)點：(1)由于寄存器在CPU的內(nèi)部，指令在執(zhí)行時從寄存器中取操作數(shù)比訪問主存要快得多；(2)由于寄存器的數(shù)量較少，因此寄存器編號所占位數(shù)也較少，從而可以有效減少指令的地址碼字段的長度。364.4.2操作數(shù)基本尋址方式5、寄存器尋址優(yōu)點：1081094.4.2操作數(shù)基本尋址方式6、寄存器間接尋址

為了克服間接尋址中多次訪存的缺點，可采用寄存器間接尋址，即將操作數(shù)放在主存儲器中，而操作數(shù)的地址放在某一通用寄存器中，然后在指令的地址碼部分給出該通用寄存器的編號，這時有EA=(Ri)這種尋址方式的指令較短，并且在取指后只需一次訪存便可得到操作數(shù)，因此指令執(zhí)行速度較前述的間接尋址方式要快，也是目前在計算機中使用較為廣泛的一種尋址方式。374.4.2操作數(shù)基本尋址方式6、寄存器間接尋址

這種尋1091104.4.2操作數(shù)基本尋址方式7、偏移尋址相對尋址：由程序計數(shù)器PC提供基準(zhǔn)地址，而指令的地址碼部分給出相對的位移量D，兩者相加后作為操作數(shù)的有效地址，即：EA＝(PC)＋D。384.4.2操作數(shù)基本尋址方式7、偏移尋址1101114.4.2操作數(shù)基本尋址方式7、偏移尋址：基址尋址將主存空間分成若干段，每段首地址存放在基址寄存器中?；芳拇嫫鞯奈粩?shù)可以設(shè)置得很長，從而可以在較大的存儲空間中尋址?；穼ぶ分饕糜跒槌绦蚧驍?shù)據(jù)分配存儲空間，基址寄存器的內(nèi)容通常由操作系統(tǒng)確定，在程序執(zhí)行過程中其值是不變的，指令中的形式地址是可變的394.4.2操作數(shù)基本尋址方式7、偏移尋址：基址尋址1111124.4.2操作數(shù)基本尋址方式7、偏移尋址：變址尋址變址尋址就是將指令的地址碼部分給出的基準(zhǔn)地址A與CPU內(nèi)某特定的變址寄存器Rx中的內(nèi)容相加，以形成操作數(shù)的有效地址。EA=A+(R)。變址寄存器的內(nèi)容由用戶設(shè)定，程序執(zhí)行中是可變的。變址的用途是為重復(fù)操作的完成提供一種高效機制。例如主存位置A處存放一數(shù)值列表，要給每個元素加1。我們需要取每個數(shù)位，對它加1，然后再存回。需要的有效地址序列是A,A+1,A+2,...直到最后一個位置。此時值A(chǔ)存入指令地址字段，再用一個變址寄存器。每次操作完成后，變址寄存器的內(nèi)容+1.(R)+1->R404.4.2操作數(shù)基本尋址方式7、偏移尋址：變址尋址1124.4.2操作數(shù)基本尋址方式求N個數(shù)的平均值直接尋址LDAD

ADDD+1ADDD+2…ADDD+(N-1)DIV#NSTAANS[D]→ACC

[ACC]+[D+1]→ACC

[ACC]+[D+2]→ACC

…[ACC]+[D+N-1]→ACC

[ACC]÷N→ACC

[ACC]→ANS(主存單元)

4.4.2操作數(shù)基本尋址方式求N個數(shù)的平均值1134.4.2操作數(shù)基本尋址方式求N個數(shù)的平均值變址尋址

LDA#0

LDX#0MADDX,D

INX

CPX#N

BNEM

DIV#N

STAANS0→ACC0→X(變址寄存器)[ACC]+[D+(X)]→ACC[X]+1→X判斷[X]-N,結(jié)果為0，Z=1，結(jié)果非0，Z=0.Z是零標(biāo)志位當(dāng)Z=1順序執(zhí)行，Z=0跳轉(zhuǎn)到M[ACC]÷N→ACC

[ACC]→ANS(主存單元)4.4.2操作數(shù)基本尋址方式求N個數(shù)的平均值1141154.4.2操作數(shù)基本尋址方式8、段尋址方式

存儲空間劃分為多段給定20位的地址空間，在尋址一個內(nèi)存單元時，由一個基地址再加上某些寄存器提供的16位偏移量形成20位的物理地址?；刂肪褪嵌渭拇嫫?。434.4.2操作數(shù)基本尋址方式8、段尋址方式

存儲空間1151164.4.2操作數(shù)基本尋址方式9.堆棧尋址以先進后出原理存儲數(shù)據(jù).棧頂指針SP進棧：PUSHDATADATA->SP(SP)-1->SP出棧：POPDATA

(SP)+1->SP

444.4.2操作數(shù)基本尋址方式9.堆棧尋址116堆棧尋址舉例15200HACCSPX棧頂200H棧底主存151FFHACCSP15棧頂200H棧底主存X1FFHPUSHA前PUSHA后POPA前POPA后Y1FFHACCSPX棧頂200H棧底主存151FFH15200HACCSP棧頂200H棧底主存X157.3堆棧尋址舉例15200HACCSPX棧頂200H棧底主存151174.4.2操作數(shù)基本尋址方式例1

某微機的指令格式如下所示：

15109870操作碼XDD:位移量X:尋址特征位X=00：直接尋址；X=01：用變址寄存器X1進行變址；X=10：用變址寄存器X2進行變址；X=11：相對尋址設(shè)（PC）=1234H,(X1)=0037H,(X2)=1122H(H代表十六進制數(shù))，請確定下列指令中操作數(shù)的有效地①4420H②2244H③1322H④3521H⑤6723H4.4.2操作數(shù)基本尋址方式例1某微機的指令格式如下所示1184.4.2操作數(shù)基本尋址方式解:1）X=00,D=20H,有效地址E=20H

2)X=10,D=44H有效地址E=1122H+44H=1166H

3)X=11,D=22H有效地址E=1234H+22H=1256H

4)X=01,D=21H有效地址E=0037H+21H=0058H

5）X=11,D=23H有效地址E=1234H+23H=1257H

4.4.2操作數(shù)基本尋址方式解:1）X=00,D=21194.4.2操作數(shù)基本尋址方式例2設(shè)相對尋址的轉(zhuǎn)移指令占三個字節(jié)，第一個字節(jié)是操作碼，第二，三字節(jié)是相對位移(補碼表示),數(shù)據(jù)在存儲器中采用以低字節(jié)地址為字地址的存放方式。每當(dāng)CPU從存儲器中取出1個字節(jié)時，(PC)+1->PC(1)若PC當(dāng)前值是240(十進制)，要求轉(zhuǎn)移到290(十進制)，則轉(zhuǎn)移指令的第二，三字節(jié)的機器代碼是