第七章-指令系統(tǒng)03-指令的類型

史葦杭辦公室：306辦公電話子郵件：shiwh@《計(jì)算機(jī)組成原理》第七章指令系統(tǒng)軟件硬件邏輯功能：計(jì)算0+1機(jī)器指令：0010001匯編語(yǔ)言：ADDr1,r2第七章指令系統(tǒng)7.1、指令系統(tǒng)概述7.2、指令的格式

7.2.1、地址碼結(jié)構(gòu)

7.2.2、操作碼結(jié)構(gòu)7.3、指令的尋址方式（10種）7.4、指令的類型與功能（6類）7.5、RISC和CISC的比較在一個(gè)有限的存儲(chǔ)空間里，對(duì)于任何可解的問(wèn)題，編制計(jì)算程序時(shí)，指令系統(tǒng)提供的指令足夠使用。指令系統(tǒng)的完備性7.4、指令的類型與功能一臺(tái)計(jì)算機(jī)包含一些什么類型的指令？涉及到指令系統(tǒng)的完備性。如果一臺(tái)計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)不完備，就無(wú)法編出完整的程序。指令系統(tǒng)的完備性是指在一個(gè)有限的存儲(chǔ)空間里，對(duì)于任何可解決的問(wèn)題，編制程序時(shí)，指令系統(tǒng)提供的指令足夠使用！一般歸結(jié)為六大類指令。1）數(shù)據(jù)傳送類指令功能：實(shí)現(xiàn)將數(shù)據(jù)從源地址傳送到目的地址，且源地址中數(shù)據(jù)不變。

1、傳送：從一個(gè)地方傳送到另一個(gè)地方；

2、復(fù)制：傳送是以復(fù)制的方式。

傳送范圍：寄存器R-寄存器R，主存單元M-寄存器R，主存單元M–主存單元M

傳送單位：按字節(jié)、字、字符串、數(shù)據(jù)塊等

MOVAL,BL（字節(jié)）MOVAX,BX（字）

MOVSB（字符串）REPMOVSB（數(shù)據(jù)塊）傳送數(shù)據(jù)取值：原值傳送，取補(bǔ)，取反，零值傳送主要包括：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、清累加器指令、堆棧操作指令等等。7.4、指令的類型與功能功能設(shè)置考慮問(wèn)題2）算術(shù)運(yùn)算類指令功能：實(shí)現(xiàn)各種算術(shù)運(yùn)算（大型機(jī)中有向量運(yùn)算指令，直接對(duì)整個(gè)向量或矩陣進(jìn)行求和、求積運(yùn)算）。主要包括：二進(jìn)制定點(diǎn)加、減、乘、除指令，浮點(diǎn)加、減、乘、除指令，求反、求補(bǔ)指令，算術(shù)移位指令，算術(shù)比較指令，十進(jìn)制加、減運(yùn)算指令等。指令舉例：

ADD加法（最基本指令） SUB減法（最基本指令）

MUL乘法 DIV除法

NEG求補(bǔ) ABS求絕對(duì)值

INC+1 DEC-17.4、指令的類型與功能功能設(shè)置考慮問(wèn)題（在算術(shù)運(yùn)算中講過(guò)的問(wèn)題都要考慮）：二/十進(jìn)制運(yùn)算；定點(diǎn)/浮點(diǎn)運(yùn)算；整數(shù)/小數(shù)運(yùn)算；是否規(guī)格化；固定字長(zhǎng)/變字長(zhǎng)運(yùn)算；半字長(zhǎng)/全字長(zhǎng)/雙字長(zhǎng)運(yùn)算等等。3）邏輯運(yùn)算類指令功能：把一個(gè)數(shù)據(jù)字看做是一個(gè)位數(shù)組，分別處理每一位。主要包括：邏輯加、邏輯乘、按位加、邏輯移位等指令，移位指令用來(lái)對(duì)寄存器的內(nèi)容實(shí)現(xiàn)左移、右移或循環(huán)移位。指令舉例：

AND與OR或COM非（求反）EOR異或7.4、指令的類型與功能設(shè)置功能設(shè)置考慮問(wèn)題：不同指令的功能設(shè)置與邏輯運(yùn)算規(guī)律有關(guān)系。4）移位類指令功能：實(shí)現(xiàn)邏輯移位，循環(huán)移位，算術(shù)移位。

主要包括：算術(shù)右移，算術(shù)左移，邏輯右移，邏輯左移，循環(huán)右移，循環(huán)左移功能設(shè)置考慮問(wèn)題： 數(shù)據(jù)格式：字符移位，字移位 移位參數(shù)：移動(dòng)一位的次數(shù)與移動(dòng)方向 被移動(dòng)的寄存器地址 補(bǔ)位的方法。指令舉例：SHLAL,1寄存器AL左移1位

MOVDL,5SHLAL,DL寄存器AL左移5位7.4、指令的類型與功能設(shè)置5）程序控制（轉(zhuǎn)移）類指令功能：實(shí)現(xiàn)控制程序的執(zhí)行順序和選擇程序的運(yùn)行方向。它是計(jì)算機(jī)的智能機(jī)構(gòu)，設(shè)置較為復(fù)雜。程序執(zhí)行的三大結(jié)構(gòu)：順序、分支、循環(huán)順序：PC+1；分支：分支點(diǎn)（必須設(shè)置比較測(cè)試指令與條件轉(zhuǎn)移指令）匯合點(diǎn)（必須設(shè)置無(wú)條件轉(zhuǎn)移指令）；循環(huán)：循環(huán)次數(shù)已知（計(jì)數(shù)跳指令LOOP）循環(huán)次數(shù)未知

7.4、指令的類型與功能設(shè)置A=B?執(zhí)行A執(zhí)行A分支點(diǎn)匯合點(diǎn)調(diào)用子程序：主程序調(diào)用子程序時(shí)，重點(diǎn)考慮主程序與子程序的鏈接。子程序是一個(gè)公共程序，主程序可以在任意一地址調(diào)用它，設(shè)置一條無(wú)條件轉(zhuǎn)移指令轉(zhuǎn)向子程序的入口地址就可以了，但是從子程序返回主程序地址時(shí)設(shè)置返回指令。轉(zhuǎn)移地址可以通過(guò)鏈接寄存器，或堆棧進(jìn)行操作。利用堆?？梢詫?shí)現(xiàn)子程序嵌套調(diào)用。7.4、指令的類型與功能設(shè)置6）輸入輸出指令

功能：控制輸入輸出設(shè)備的工作，完成計(jì)算機(jī)與輸入輸出設(shè)備之間的數(shù)據(jù)交換。根據(jù)不同的機(jī)器結(jié)構(gòu)，功能設(shè)置方式不同：1）內(nèi)存與輔存統(tǒng)一編制；2）輔存單獨(dú)編址。7.4、指令的類型與功能設(shè)置第七章指令系統(tǒng)7.1、指令系統(tǒng)概述7.2、指令的格式

7.2.1、地址碼結(jié)構(gòu)

7.2.2、操作碼結(jié)構(gòu)7.3、指令的尋址方式（9種）7.4、指令的類型與功能（6類）7.5、RISC和CISC的比較

系統(tǒng)指令復(fù)雜龐大，各種指令使用頻度相差大

指令長(zhǎng)度不固定、指令格式種類多、尋址方式多

訪存

指令不受限制

大多數(shù)指令需要多個(gè)時(shí)鐘周期

執(zhí)行完畢

采用微程序控制器

CPU中設(shè)有專用寄存器

難以

用優(yōu)化編譯

生成高效的目的代碼

7.5、RISC和CISC的比較CISC的主要特征

選用使用頻度較高的一些簡(jiǎn)單指令，復(fù)雜指令的功能由簡(jiǎn)單指令來(lái)組合

指令長(zhǎng)度固定、指令格式種類少、尋址方式少

只有LOAD/STORE

指令訪存

采用流水技術(shù)一個(gè)時(shí)鐘周期

內(nèi)完成一條指令

采用組合邏輯控制器

CPU中有多個(gè)

通用寄存器

采用優(yōu)化

的編譯

程序

7.5、RISC和CISC的比較RISC的主要特征7.5、RISC和CISC的比較1、RISC更能充分利用VLSI芯片的面積2、RISC更能提高計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度指令數(shù)、指令格式、尋址方式少，通用寄存器多，采用組合邏輯，便于實(shí)現(xiàn)指令流水3、RISC便于設(shè)計(jì)，可降低成本，提高可靠性4、RISC

有利于編譯程序代碼優(yōu)化

5、RISC不易

實(shí)現(xiàn)指令系統(tǒng)兼容

RISC相對(duì)CISC的優(yōu)勢(shì)例1）某16位機(jī)器所使用的指令格式和尋址方式如下所示，該機(jī)有兩個(gè)

20位基址寄存器，四個(gè)16位變址寄存器，十六個(gè)16位通用寄存器，指令格式中的S（源），D（目標(biāo)）都是通用寄存器，

M是主存中的一個(gè)單元。三種指令的操作碼分別是

MOV（OP＝AH），傳送指令；

STA（OP＝1BH），寫(xiě)數(shù)指令；

LDA（OP＝3CH），讀數(shù)指令?？佳蓄}目精選要求：分析三種指令的指令格式與尋址方式特點(diǎn)。解：第一種指令是單字長(zhǎng)二地址指令，RR型；兩操作數(shù)尋址均為：寄存器直接尋址；第二種指令是雙字長(zhǎng)二地址指令，RS型，一操作數(shù)尋址為：寄存器直接尋址；一操作數(shù)尋址為：基址尋址或變址尋址，第三種也是雙字長(zhǎng)二地址指令，RS型，一操作數(shù)尋址為：寄存器直接尋址，一操作數(shù)尋址為：直接尋址?？佳蓄}目精選要求：CPU完成哪一種操作所花時(shí)間最短？哪一種所花時(shí)間最長(zhǎng)？第二種指令的執(zhí)行時(shí)間有時(shí)會(huì)等于第三種指令的執(zhí)行時(shí)間嗎？解：CPU完成第一種指令所花時(shí)間最短，因?yàn)槭荝R型指令，不需要訪問(wèn)存儲(chǔ)器。第二種指令所花時(shí)間最長(zhǎng)，因?yàn)槭荝S型指令，需要一次訪存，同時(shí)要進(jìn)行尋址方式的變換運(yùn)算（基址或變址），這也需要時(shí)間。第二種指令的執(zhí)行時(shí)間不會(huì)等于第三種指令，因?yàn)榈谌N指令雖然也是一次訪存，但節(jié)省了求有效地址運(yùn)算的時(shí)間開(kāi)銷?？佳蓄}目精選要求：下列情況下每個(gè)十六進(jìn)制指令字分別代表什么操作？其中如果有編碼不正確，如何改正才能成為合法指令？①(F0F1)H(3CD2)H②(2856)H③（6FD6)H④（1C2)H解：已知MOV（OP＝AH＝001010），

STA（OP＝1BH＝011011），

LDA（OP＝3CH＝111100）,

將指令的十六進(jìn)制格式轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制代碼，比較后可知：①（F0F1）H（3CD2）H指令代表LDA指令，編碼正確，其含義是把主存（13CD2）H地址單元的內(nèi)容取至15號(hào)寄存器。

111100001111

0001 0011110011010010考研題目精選解：②（2856）H指令代表MOV指令，編碼正確，含義是把6號(hào)源寄存器的內(nèi)容傳送至5號(hào)目標(biāo)寄存器。

001010000101

0110

③（6FD6）H是單字長(zhǎng)指令，一定是MOV指令，但編碼錯(cuò)誤，可改正為（28D6）H

011011111101

0110→001010111101

0110④（1C2）H是單字長(zhǎng)指令，代表MOV指令，但編碼錯(cuò)誤，可改正為（28C2）H。

0000000111000010→00101001

1100

0010考研題目精選例2）某機(jī)器采用一地址格式的指令系統(tǒng)，允許直接和間接尋址。機(jī)器配備有如下寄存器，均為16位：

ACC（累加器）， PC（程序計(jì)數(shù)器），

MDR（數(shù)據(jù)緩沖寄存器）， MAR（地址寄存器），

RX（變址寄存器）， RB（基址寄存器）

IR（指令寄存器）問(wèn)：若存儲(chǔ)字長(zhǎng)不變，可采用什么方法訪問(wèn)容量為8MB的主存？是否需要增加硬件？考研題目精選解：容量8MB的存儲(chǔ)器，因?yàn)樽珠L(zhǎng)不變，即MDR仍然為16位，所以對(duì)應(yīng)4M*16位的存儲(chǔ)器，所以存儲(chǔ)單元的地址有22位?？刹捎秒p字長(zhǎng)指令，采用直接尋址方式，可訪問(wèn)4M存儲(chǔ)空間，此時(shí)MAR為22位。也可采用單字長(zhǎng)指令，采用變址尋址或基址尋址方式，且變址寄存器與基址寄存器為22位，可訪問(wèn)4M存儲(chǔ)空間。例3）某機(jī)字長(zhǎng)32位，CPU內(nèi)有32個(gè)32位通用寄存器，設(shè)計(jì)一種能容納

64種操作的指令系統(tǒng)，設(shè)指令字長(zhǎng)等于機(jī)器字長(zhǎng)，存儲(chǔ)器按字節(jié)編址。1）如果主存可直接或間接尋址，采用寄存器—存儲(chǔ)器型指令，能直接尋址的最大存儲(chǔ)空間是多少？畫(huà)出指令格式。2）如果采用通用寄存器作為基址寄存器，則上述寄存器---存儲(chǔ)器型指令的指令格式有何特點(diǎn)？畫(huà)出指令格式并指出這類指令可訪問(wèn)多大的存儲(chǔ)空間?？佳蓄}目精選解：操作碼6尋址特征1寄存器號(hào)5內(nèi)存單元地址20操作碼6尋址特征1寄存器號(hào)5形式地址15基址寄存器號(hào)5直接尋址空間220因?yàn)榛芳拇嫫魈?hào)5位，間接尋址空間232例4）某機(jī)存儲(chǔ)器容量為64K*16位，該機(jī)訪存指令格式如下：考研題目精選解：16種操作。操作碼4尋址模式2間址1形式地址8變址1其中，尋址00直接尋址，01基址尋址，10相對(duì)尋址，11立即尋址間址=1為間接尋址，變址=1為變址尋址，

PC為程序