第4章-指令系統(tǒng)

第四章指令系統(tǒng)1指令系統(tǒng)的發(fā)展與性能要求2指令的一般格式3尋址方式4指令格式的優(yōu)化引言指令系統(tǒng)：又稱指令集（InstructionSet）是計算機體系結(jié)構(gòu)設(shè)計的核心，是計算機軟、硬件接口，是用機器語言、匯編語言編寫程序的用戶所能看到的計算機的基本屬性。

指令系統(tǒng)的設(shè)計主要是確定它的指令格式、類型、操作以及對操作數(shù)的訪問方式。4.1指令系統(tǒng)的發(fā)展與性能要求指令：即機器指令，要計算機執(zhí)行某種操作的命令。指令劃分：微指令、機器指令和宏指令。4.1.1指令系統(tǒng)的發(fā)展指令系統(tǒng)：一臺計算機中所有指令的集合；是表征計算機性能的重要因素。系列計算機：基本指令系統(tǒng)相同、基本體系結(jié)構(gòu)相同

的一系列計算機。簡單復雜完備性：直接提供的指令足夠使用，不必再用軟件來實現(xiàn)。有效性：程序能夠高效地運行。表現(xiàn)在占用存儲空間小、執(zhí)行速度快。規(guī)整性：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。兼容性：完全兼容不可能，只能做到“向上兼容”（低檔機上的軟件可以在高檔機上運行）。4.1.2對指令系統(tǒng)性能的要求一種指令集結(jié)構(gòu)中的指令到底要支持哪些類型的操作？這是指令集結(jié)構(gòu)功能設(shè)計的基本問題?！艟喼噶罴嬎銠C（RISC）盡可能地降低指令集結(jié)構(gòu)的復雜性，以達到簡化實現(xiàn)，提高性能的目的。

當今指令集結(jié)構(gòu)功能設(shè)計的一個主要趨勢。◆

復雜指令集計算機（CISC）強化指令功能，實現(xiàn)軟件功能向硬件功能轉(zhuǎn)移。

兩種截然不同的方向：1．復雜指令集計算機（CISC）CISC

(ComplexInstructionSetComputer)1)CISC結(jié)構(gòu)追求的目標：強化指令功能，減少程序的指令條數(shù)其中Tc:表示時鐘周期。IN:表示CPU執(zhí)行某一程序中所包含的指令總數(shù)。CPI:表示執(zhí)行每條指令所需的平均時鐘周期數(shù)。CISC是通過減少IN值來減少Tcpu的

1)指令系統(tǒng)復雜，表現(xiàn)在：指令數(shù)多，一般大于100條尋址方式多，一般大于4種指令格式多，一般大于4種2)CISC的主要特點：5)有專用寄存器4)采用微程序控制3)各種指令都可訪問存儲器2)絕大多數(shù)指令需要多個機器時鐘周期方可完成6)難以用優(yōu)化編譯生成高效的目標代碼程序指令系統(tǒng)龐大硬件復雜、龐大執(zhí)行速度低編譯程序復雜、長部分指令使用效率低3）CISC結(jié)構(gòu)存在的缺點：執(zhí)行頻率排序80X86指令指令執(zhí)行頻率（％執(zhí)行指令總數(shù)）1Load22％2條件分支20％3比較16％4Store12％5加8％6與6％7減5％8寄存器－寄存器間數(shù)據(jù)移動4％9調(diào)用1％10返回1％合計96％Intel80X86最常用的十條指令

2RISC

(ReducedInstructionSetComputer)1975年，IBM的801小型計算機1979年，加州大學提出RISC這一術(shù)語，并研制出RISC-I,RISC-II計算機1981年，斯坦福大學推出了MIPSRISC計算機1987年，SUN公司的SPARC系列工作站1988年Motorola推出的MC88000RISC計算機1)RISC的產(chǎn)生RISC是通過減少CPI值，簡化結(jié)構(gòu)來減少Tcpu

1)精簡指令系統(tǒng)指令條數(shù)少，一般小于100條基本尋址方式少，一般23種指令格式少，一般23種指令長度一致(32位)2)RISC的主要特點：2)以寄存器-寄存器方式工作，除了Load/Store指令訪問存儲器外，其余指令只訪問寄存器4)使用較多的通用寄存器，一般至少32個，不允許有專用寄存器5)大多采用硬聯(lián)線控制，少用或不用微程序?qū)崿F(xiàn)3)除了Load/Store指令訪問存儲器外，所有指令在一個機器時鐘周期完成，并采用流水線技術(shù)操作碼字段：表示指令的操作特性與功能。地址碼字段：通常用于指定參與操作的操作數(shù)地址。4.2指令格式

指令的一般結(jié)構(gòu)形式：操作碼字段地址碼字段4.2.1指令字長度指令的長度是指一條指令所包含二進制代碼的位數(shù)，取決于操作碼長度和操作數(shù)地址個數(shù)及每個地址的長度。機器字長：計算機能直接處理的二進制數(shù)據(jù)的位數(shù)。指令長度與機器字長的關(guān)系：半字長指令單字長指令雙字長指令4.2.2操作碼（1）定長編碼：便于譯碼，擴展性差

IBM370機（2）變長編碼：能縮短指令平均長度

PDP-11

作用：指定指令是執(zhí)行什么性質(zhì)的操作。不同的指令用操作碼字段的不同編碼表示。

(2)一地址指令：單操作數(shù)指令。該指令常以AC中數(shù)作為被操作數(shù)，指令中地址碼字段所指明的數(shù)為操作數(shù)，操作結(jié)果又放回AC。

根據(jù)指令中操作數(shù)地址的個數(shù)，將指令劃分為：4.2.3地址碼操作碼

(1)零地址指令：指令中只有操作碼，沒有地址碼。作用：常用于指定參與操作的操作數(shù)地址。操作碼A（AC）OP（A）—>AC（3）二地址指令：雙操作數(shù)指令，兩地址指明被操作數(shù)和操作數(shù)地址，其中A1兼做結(jié)果地址：（A1）OP（A2）—>A1（4）三地址指令：三個地址分別指明被操作數(shù)、操作數(shù)以及結(jié)果存放地址：

（A1）OP（A2）—>A3操作碼A1A2操作碼A1A2A3A(A)VSAC(AC)VSA為內(nèi)存或運算器中通用寄存器的地址；(A)為內(nèi)存或運算器中通用寄存器地址為A中的數(shù)。為了便于書寫和閱讀程序，每一指令采用3個或4個英文縮寫字母來表示，稱為指令助記符。

注：1在不同的計算機中，指令助記符的規(guī)定是不一樣的；2由于機器只能識別二進制語言，因此指令助記符必須轉(zhuǎn)換成相應的二進制操作碼。4.2.4指令助記符4.2.5指令格式舉例（P110）4.3操作數(shù)類型操作數(shù)類型地址數(shù)據(jù):地址實際上也是一種形式的數(shù)據(jù)。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)。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。當數(shù)據(jù)以這種方式看待時，稱為邏輯性數(shù)據(jù)。Pentium數(shù)據(jù)類型(見P112表4.4)常規(guī)數(shù)據(jù)類型整數(shù)數(shù)據(jù)類型……..尋址方式：采用地址指定方式時，形成操作數(shù)地址

或指令地址的方式。尋址方式指令尋址方式數(shù)據(jù)尋址方式4.4指令和數(shù)據(jù)的尋址方式尋址技術(shù)：指的是指令按什么方式尋找（或訪問）到所需的操作數(shù)或信息。它影響主存規(guī)模、速度及存取方式。尋址方式對應用程序員是透明的。1.順序?qū)ぶ贩绞?/p>

程序指令按順序存放在內(nèi)存中，執(zhí)行時按順序從內(nèi)存中取出所要執(zhí)行的指令。

程序計數(shù)器（指令指針寄存器，指令計數(shù)器）PC（ProgramCounter）存放正在執(zhí)行的指令地址（要執(zhí)行的下一指令地址）。一、指令的尋址方式

程序要執(zhí)行的下條指令地址不是由PC給出，而是由本指令的地址碼給出。

用途：實現(xiàn)程序轉(zhuǎn)移或構(gòu)成循環(huán)程序。2.跳躍尋址方式尋址方式特征位：指出是何種尋址方式。有效地址由形式地址和尋址方式特征位等共同確定。實質(zhì)：將形式地址（Ｄ）轉(zhuǎn)化為有效地址（Ｅ）。二、操作數(shù)尋址方式形式地址(D)：偏移量，邏輯地址，指令中給出的地址。有效地址(E)：真實地址，物理地址，用形式地址并結(jié)合某些計算規(guī)則求出來的地址。操作碼OP變址X間址I形式地址D例：一種單地址指令的結(jié)構(gòu)如下：

不明顯指定操作數(shù)的地址，而是在指令中隱含著操作數(shù)的地址。比如單地址指令格式的第二操作數(shù)由AC隱含指定。1.隱含尋址(ImpliedAddressing)例：加法指令ADD[200H]00010010AC0011200H=

ADDAC，[200H]ALU2.立即尋址（ImmediateAddressing）優(yōu)點：無需訪問內(nèi)存，指令的執(zhí)行時間很短。缺點：操作數(shù)的范圍受限。適用范圍：用于操作數(shù)固定的指令中，主要用于給寄存器或存儲器賦初值。例：MOVAL，13H特點：地址字段指出的不是操作數(shù)地址，而是

操作數(shù)本身。FFH13H13HAL其形式地址（Ｄ）又稱為直接地址（Ｅ）3.直接尋址（DirectAddressing）特點：地址字段直接指出操作數(shù)在內(nèi)存中地址。例：MOVAX，[2000H]E=D1000H1000HFFFFH優(yōu)點：簡單。缺點：尋址空間受限。0000H特點：地址字段中的D是操作數(shù)地址的指針。4.間接尋址（IndirectAddressing）E=（D）1000H1000H5000H5000H13H說明：兩次訪存影響執(zhí)行速度，現(xiàn)已不大使用。優(yōu)點：尋址空間大。缺點：需多次訪問主存。寄存器尋址方式:寄存器中存放的是操作數(shù)。5.寄存器尋址(RegisterAddressing)和寄存器間接尋址(RegisterIndirectAddressing)區(qū)別：

（1）寄存器中前者存的是操作數(shù)，后者是操作數(shù)地址。（2）前者不需要訪問內(nèi)存，速度相對快；尋址空間?。?/p>

后者需要訪問內(nèi)存，速度相對慢；尋址空間大。聯(lián)系：地址字段中給出的都是寄存器的編號。例：寄存器尋址：MOVAX,BX寄存器間接尋址：MOV[AX],[BX]寄存器間接尋址方式:寄存器中存放的不是操作數(shù)，而是操作數(shù)在內(nèi)存中的地址。復習指令系統(tǒng)的發(fā)展復雜指令集計算機、精簡指令集計算機指令和數(shù)據(jù)的尋址方式指令的尋址方式：順序?qū)ぶ?、跳躍尋址操作數(shù)尋址方式：隱含尋址、立即尋址、直接尋址、間接尋址、寄存器尋址/間址、

特點：把PC的內(nèi)容加上指令格式中形式地址D而形成

操作數(shù)的有效地址E。6.相對尋址方式(RelativeAddressing)E=(PC)+D特點：把基址寄存器的內(nèi)容加上指令格式中D而形成

操作數(shù)的E。用途：可用于擴大尋址能力。7.基址尋址方式(Base-RegisterAddressing)E=(BR)+D特點：把某個變址寄存器的內(nèi)容加上指令格式中D

而形成操作數(shù)的E。用途：用于實現(xiàn)程序塊的有規(guī)律變化。8.變址尋址方式(IndexAddressing)例：MOVAX,2000H[SP]基址尋址方式和變址尋址方式有什么特點？（上海交通大學碩士研究生入學考試試題）解：兩者有不同的特點和用途：①在基址尋址的系統(tǒng)中，基址是不變的，程序中的所有地址都相對于基地址來變化。而對于變址尋址則相反，指令中的D給出的是一個存儲器地址基準，變址寄存器X中存放的是相對于該基準地址的偏移量。不同的變址寄存器值指出了不同的單元；②在基址尋址中，偏移量位數(shù)較短，而在變址尋址中，偏移量位數(shù)足以表示整個存儲空間；③前者主要解決程序邏輯空間與存儲器物理空間的無關(guān)性，而后者主要為了可編寫出高效率訪問一片存儲空間的程序。用途：用在I/O指令中，以實現(xiàn)外存儲器或外圍設(shè)備同內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)塊傳送，還適用于內(nèi)存的數(shù)據(jù)塊搬家。9.塊尋址方式(BlockAddressing)操作碼首地址標志位末地址0000010010101110200H800H指定數(shù)據(jù)塊長度的三種方法：（1）指令中劃出字段指出長度；（2）指令中指出數(shù)據(jù)塊的首尾地址；（3）由塊結(jié)束字符指出數(shù)據(jù)塊的長度。方法：E由段寄存器的內(nèi)容加上段內(nèi)偏移地址而形成。應用：微型機采用段尋址方式，20位物理地址為16位段地址左移四位加上16位偏移量。10.段尋址方式(SegmentAddressing)①段內(nèi)直接尋址；②段內(nèi)間接尋址；③段間直接尋址；④段間間接尋址；分類：11堆棧尋址方式堆棧：是一組能存入和取出數(shù)據(jù)的暫時存儲單元。區(qū)別：對數(shù)據(jù)的存取方法或?qū)ぶ贩绞讲煌７诸悾捍?lián)堆棧和存儲器堆棧。特點：數(shù)據(jù)傳送在棧頂和某個通用寄存器之間進行。（1）串聯(lián)堆棧（硬堆棧，下壓堆棧）由CPU中的一組專門寄存器組成。存/取數(shù)方式：當壓入數(shù)據(jù)時，棧中數(shù)據(jù)先向棧底移動一個數(shù)據(jù)字，空出棧頂寄存器來存放壓入的數(shù)據(jù)。當取出數(shù)據(jù)時，從棧頂?shù)募拇嫫髦腥〕鰯?shù)據(jù)，棧中數(shù)據(jù)向棧頂順序移動一個數(shù)據(jù)字?！跋冗M后出”FILO(FirstInLastOut)?！昂筮M先出”LIFO(LastInFirstOut)。在主存儲器中劃分出一部分區(qū)域來作為堆棧。優(yōu)點：

（a）容量可任意；（b）可同時建立多個堆棧；（c）可用對存儲器尋址的任一指令來對堆棧中數(shù)據(jù)尋址。需設(shè)置一個堆棧指示器SP(StackPointer)，它是CPU中的一個專用寄存器，指定堆棧的棧頂。

（2）存儲器堆棧（軟堆棧）缺點：

（a）容量有限；（b）讀出具有破壞性；串聯(lián)堆棧不需要堆棧指示器，棧頂是由硬件確定，操作時棧頂不動，數(shù)據(jù)串聯(lián)地在寄存器間移動。因存儲單元中的數(shù)據(jù)不容易移動，為此實行棧頂移動，數(shù)據(jù)不動。數(shù)據(jù)的壓入和讀出用“進?！?PUSH)和“出?！?POP)指令。

進棧操作描述：

(A)—>Msp，

(SP)-1—>SP

出棧操作描述：

(SP)+1—>SP，（Msp)—>A注：進棧時先存入數(shù)據(jù)，后修改堆棧指示器；

出棧時先修改堆棧指示器，后取出數(shù)據(jù)。下列說法中不正確的是：

A、機器語言和匯編語言都是面向機器的，它們和具體機器的指令系統(tǒng)密切相關(guān)B、指令的地址字段指出的不是地址而是操作數(shù)本身，這種尋址方式稱為立即尋址C、串聯(lián)堆棧一般不需要堆棧指示器，但串聯(lián)堆棧的讀出破壞性的D、存儲器堆棧是主存的一部分，因而也可以按地址隨機進行讀寫操作

D4.5典型指令