計(jì)算機(jī)組成原理課件第4章指令系統(tǒng)

第四章指令系統(tǒng)主要內(nèi)容第一節(jié)指令格式第二節(jié)指令系統(tǒng)介紹第三節(jié)尋址方式簡(jiǎn)述指令:就是要計(jì)算機(jī)執(zhí)行某種操作的命令。分類:(從計(jì)算機(jī)組成的層次結(jié)構(gòu))：微指令：微程序級(jí)的命令（硬件）機(jī)器指令：可完成一個(gè)基本的操作，簡(jiǎn)稱指令。宏指令：由若干條機(jī)器指令組成的軟件指令。（軟件）第一節(jié)機(jī)器指令的格式指令格式，是指令字用二進(jìn)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。操作碼字段表征指令的操作特性與功能。地址碼字段通常指定參與操作的操作數(shù)的地址一條指令的結(jié)構(gòu)可用如下形式來(lái)表示：一、機(jī)器指令格式操作碼地址碼數(shù)據(jù)是什么或數(shù)據(jù)在哪里做什么二、指令字長(zhǎng)度1、機(jī)器字長(zhǎng)與指令字長(zhǎng)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)。指令字長(zhǎng)指一個(gè)指令字中包含的二進(jìn)制代碼的位數(shù)。2、指令字長(zhǎng)與機(jī)器字長(zhǎng)的關(guān)系等于機(jī)器字長(zhǎng)度的指令，稱為單字長(zhǎng)指令；等于半個(gè)機(jī)器字長(zhǎng)度的指令，稱為半字長(zhǎng)指令；等于兩個(gè)機(jī)器字長(zhǎng)度的指令，稱為雙字長(zhǎng)指令。機(jī)器字長(zhǎng)指令字長(zhǎng)二者關(guān)系168半字長(zhǎng)指令1616單字長(zhǎng)指令1632雙字長(zhǎng)指令三、據(jù)地址碼不同對(duì)指令的分類三地址指令格式

操作碼地址碼1地址碼2地址碼3

含義：

(A1)

OP

(A2)→A3

二地址指令格式

操作碼地址碼1地址碼2含義：（A1）OP（A2）→A1

在二地址指令格式中，從操作數(shù)的物理位置來(lái)說，又可歸結(jié)為三種類型：（SS）型指令:存儲(chǔ)器－存儲(chǔ)器型指令，為訪問存儲(chǔ)器的指令格式；（RR）型指令:寄存器－寄存器型指令，為訪問寄存器的指令格式；（RS）型指令:寄存器－存儲(chǔ)器型指令，用于存儲(chǔ)器與寄存器交換信息。

一地址指令格式

操作碼地址碼

含義：（AC）OP（A）→（AC）零地址指令格式

操作碼含義：OP隱含操作數(shù)返回OP練習(xí)題【例】以下四種類型指令中，執(zhí)行時(shí)間最長(zhǎng)的是______。

A.RR型B.RS型

C.SS型

D.程序控制指令例：設(shè)機(jī)器字長(zhǎng)為16位，指令格式如下所示，其中OP為操作碼，試分析指令格式的特點(diǎn)。

解：(1)單字長(zhǎng)二地址指令。(2)操作碼字段OP可以指定27=128條指令。(3)源寄存器和目標(biāo)寄存器都是通用寄存器(可分別指定16個(gè))，所以是RR型指令，兩個(gè)操作數(shù)均在寄存器中。15987430OP_源寄存器目標(biāo)寄存器例：設(shè)機(jī)器字長(zhǎng)為16位，指令格式如下所示，OP為操作碼字段，試分析指令格式特點(diǎn)。解：(1)雙字長(zhǎng)二地址指令，用于訪問存儲(chǔ)器。(2)操作碼字段OP為6位，可以指定26=64種操(3)一個(gè)操作數(shù)在源寄存器(共16個(gè))，另一個(gè)操作數(shù)在存儲(chǔ)器中(由變址寄存器和位移量決定)，所以是RS型指令。第二節(jié)指令系統(tǒng)介紹指令系統(tǒng)的發(fā)展對(duì)指令系統(tǒng)的性能要求指令分類復(fù)雜指令系統(tǒng)精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)指令的執(zhí)行方式指令系統(tǒng)的概念一臺(tái)計(jì)算機(jī)中所有機(jī)器指令的集合，稱為這臺(tái)計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)。指令系統(tǒng)是表征一臺(tái)計(jì)算機(jī)性能的重要因素，它的格式與功能不僅直接影響到機(jī)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(jī)器的適用范圍。一、指令系統(tǒng)的發(fā)展50年代，只有定點(diǎn)加減、邏輯運(yùn)算、數(shù)據(jù)傳送、轉(zhuǎn)移等十幾至幾十條指令。60年代后期，除基本指令外，還有乘除運(yùn)算、浮點(diǎn)運(yùn)算、十進(jìn)制運(yùn)算、字符串處理等指令，指令數(shù)目多達(dá)一二百條，尋址方式也趨多樣化。開始出現(xiàn)系列計(jì)算機(jī)。所謂系列計(jì)算機(jī)，是指基本指令系統(tǒng)相同、基本體系結(jié)構(gòu)相同的一系列計(jì)算機(jī)。70年代末期，復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱CISC。又提出精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱RISC。

二、對(duì)指令系統(tǒng)性能的要求一個(gè)完善的指令系統(tǒng)應(yīng)滿足如下四方面的要求：完備性：有效性：規(guī)整性：兼容性：三、典型指令分類

不同機(jī)器的指令系統(tǒng)是各不相同的。從指令的操作碼功能來(lái)考慮，一個(gè)較完善的指令系統(tǒng)，應(yīng)包括：數(shù)據(jù)傳送類指令算術(shù)運(yùn)算類指令邏輯運(yùn)算類指令程序控制類指令輸入輸出類指令字符串類指令系統(tǒng)控制類指令。舉例：以8086指令系統(tǒng)為例MOVAX,1234HMOVBX,8900HADDAX,BXXORAX,0FF0HJZL1MOVSBINAL,12HLI:CLCJMPL1四、復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)隨著VLSI技術(shù)的飛速發(fā)展而越來(lái)越復(fù)雜化，大多數(shù)計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)多達(dá)幾百條。稱這些計(jì)算機(jī)為復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱CISC。

例如:pentium機(jī)也有191條指令，9種尋址方式。缺點(diǎn)：對(duì)CISC機(jī)進(jìn)行的測(cè)試表明，最常使用的是一些最簡(jiǎn)單最基本的指令，僅占指令總數(shù)的20%，但在程序中出現(xiàn)的頻率卻占80%。五、精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)（RISC）（一）、RISC的由來(lái)及發(fā)展1、由來(lái)：系列機(jī)的出現(xiàn)->(復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī))CISCCISC->硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本提高。1975年，IBM公司開始研究指令系統(tǒng)的合理性問題，該公司的Johncocke提出了精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)的想法，并開始研制具有精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)。

⒉RISC的發(fā)展

從80年代末開始，RISC計(jì)算機(jī)成為計(jì)算機(jī)發(fā)展的主要趨勢(shì)。（二）、RISC的特點(diǎn)指令的種類少指令長(zhǎng)度固定指令格式種類少尋址方式種類少CPU內(nèi)的所有操作，除了訪問存儲(chǔ)器的取數(shù)和存數(shù)（Load/Store指令）外，其余指令的操作都在寄存器之間進(jìn)行；CPU中有一個(gè)較大的通用寄存器組大部分指令在一個(gè)CPU周期之內(nèi)完成采用硬布線控制器六、指令的執(zhí)行方式指令的順序執(zhí)行方式流水線方式（一）、順序執(zhí)行方式

順序執(zhí)行方式是一條指令接著一條指令的執(zhí)行方式。

特點(diǎn)：⑴就整個(gè)程序而言，是一條指令接著一條指令順序地串行執(zhí)行的。⑵就一條指令而言，其取指、分析、執(zhí)行三個(gè)步驟也是順序串行進(jìn)行的。⑶是控制簡(jiǎn)單，硬件容易實(shí)現(xiàn)，但執(zhí)行速度慢。（二）、流水線方式流水線方式是把指令的執(zhí)行過程分解為若干個(gè)子過程，分別由不同的硬件去執(zhí)行的方式。

例如：一條指令分解為4個(gè)子過程取指->譯碼->取操作數(shù)->執(zhí)行分別由4個(gè)不同的部件來(lái)完成。第三節(jié)尋址方式尋址：指令指定操作數(shù)的位置，即給出地址信息，在執(zhí)行時(shí)需要根據(jù)這個(gè)地址信息找到需要的操作數(shù)。這種尋找操作數(shù)的過程稱為尋址。

尋址方式：尋找操作數(shù)的方法。

具體分為指令尋址和操作數(shù)尋址指令尋址分操作數(shù)尋址

4.3.1指令尋址方式順序?qū)ぶ贩绞饺纾喉樞蚪Y(jié)構(gòu)跳躍尋址方式如：循環(huán)、分支、子程序、函數(shù)、中斷等舉例：地址機(jī)器指令匯編語(yǔ)言指令4.3.2操作數(shù)尋址方式有效地址：操作數(shù)的地址被稱為有效地址，用EA（EffectiveAddress）表示，存儲(chǔ)器尋址方式下，有效地址由下面3個(gè)分量構(gòu)成：基址寄存器內(nèi)容變址寄存器內(nèi)容位移量操作數(shù)所在位置有如下四種情況操作數(shù)在內(nèi)存中。稱為存儲(chǔ)器尋址。操作數(shù)在運(yùn)算部件的某個(gè)寄存器中。稱為寄存器尋址。操作數(shù)就在指令中。操作數(shù)叫做立即數(shù)，稱為立即數(shù)尋址。操作數(shù)在I/O接口的某個(gè)端口中，稱為端口尋址。一、立即數(shù)尋址方式如：ADDAX,D

D就是操作數(shù)本身，在非十進(jìn)制立即數(shù)末尾需要使用字母加以標(biāo)識(shí)（如1234H）。這種方式適合于訪問一些固定不變的常數(shù)。特點(diǎn)：

操作數(shù)作為指令的一部分存放在存儲(chǔ)器的代碼段，指令執(zhí)行階段不訪存

D的位數(shù)限制了立即數(shù)的范圍二、寄存器尋址方式有效地址即為寄存器編號(hào)，EA=R1操作數(shù)為(D)

特點(diǎn)：執(zhí)行階段不訪存，只訪問寄存器，因此執(zhí)行速度快；寄存器個(gè)數(shù)有限，可縮短指令字長(zhǎng)。例：INCR1

三、存儲(chǔ)器尋址方式1.直接尋址方式

有效地址由形式地址直接提供，即指令地址中直接給出操作數(shù)存放的有效地址。例：INC[3A00H]

即：EA=3A00H;操作數(shù)=（3A00H

）

特點(diǎn)：執(zhí)行階段訪問一次存儲(chǔ)器

有效地址在寄存器中，EA=(R1)操作數(shù)=（(R1)）

特點(diǎn)：有效地址在寄存器中，操作數(shù)在存儲(chǔ)器中，執(zhí)行階段訪問一次存儲(chǔ)器例：INC(R1)

2.寄存器間接尋址方式3.間接尋址方式指令的地址碼部分給出的不是操作數(shù)，也不是操作數(shù)的地址，而是操作數(shù)地址的地址的尋址方式。其有效地址為：EA=(A0)

4.基址/變址尋址方式以基址/變址寄存器中的內(nèi)容為基準(zhǔn)，加上指令地址碼部分給出的位移量之和作為操作數(shù)的有效地址來(lái)獲得操作數(shù)的地址的尋址方式。其有效地址為：EA=(R)+A這類指令通常用于字符串處理、向量運(yùn)算等成批數(shù)據(jù)處理中。指令中的地址碼與程序計(jì)數(shù)器PC的內(nèi)容相加，得到的結(jié)果是操作數(shù)的有效地址，即EA=(PC)+A5.相對(duì)尋址方式6、存儲(chǔ)器堆棧尋址方式堆棧：是在存儲(chǔ)器中的一片連續(xù)區(qū)域。特點(diǎn)：先進(jìn)后出。用棧頂指針指示要讀寫的單元。操作：分為進(jìn)棧和出棧

進(jìn)棧指令：PUSHsrc

執(zhí)行的操作是（SP-2）→SPsrc->[SP]出棧指令：POPDEST

執(zhí)行的操作是[SP]->DEST（SP-2）→SP四、端口尋址方式參與運(yùn)算的數(shù)據(jù)在輸入/輸出接口的某個(gè)端口中。通常用專用的輸入/輸出指令來(lái)完成數(shù)據(jù)的讀寫例如：INAL,35H

MOVDX,38FHOUTDX,AL返回練習(xí)題變址尋址方式中，操作數(shù)的有效地址等于______。

A基值寄存器內(nèi)容加上形式地址（位移量）

B堆棧指示器內(nèi)容加上形式地址（位移量）

C變址寄存器內(nèi)容加上形式地址（位移量）

D程序記數(shù)器內(nèi)容加上形式地址（位移量）

用某個(gè)寄存器中值作為操作數(shù)的尋址方式稱為______尋址。

A直接B間接

C寄存器

D寄存器間接

計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)中采用不同尋址方式主要目的是_____

A、可直接訪問內(nèi)存或外存。B、提供擴(kuò)展操作碼并降低指令譯碼難度C、簡(jiǎn)化匯編指令的編碼D、縮短指令長(zhǎng)度，擴(kuò)大尋址空間，提高編程靈活性在下列尋址方式中取得操作數(shù)速度最慢的是_____

。

A、相對(duì)尋址B、基址尋址

C、寄存器間接尋址

D、存儲(chǔ)器間接尋址

某機(jī)器指令格式如下所示15109870OPXD圖中X為尋址特征位:X=00直接尋址

X=01用寄存器X1進(jìn)行變址

X=10用寄存器X2進(jìn)行變址

X=11相對(duì)尋址設(shè)(PC)=1234H,(X1)=0037H,(X2)=1122H,請(qǐng)確定下列指令的有效地址：①4402H②2244H③1322H④3521H⑤6723H設(shè)(DS)=1200H,(BX)=05A6H,(SS)=5000H,(BP)=40A0H,(SI)=2000H,(DI)=3000H,

位移量DISP=1618H,請(qǐng)判斷下列指令中操作數(shù)的尋址方式，并求出其有效地址EA。

1)MOV[1618H],AL2)MOVAL,[BX+10H]3)MOVAX,[SI]4)MOV[BX+DI],10H

堆棧尋址方式中，設(shè)A為累加器，SP為堆棧指示器，MSP為SP指示的棧頂單元。如果進(jìn)棧操作的動(dòng)作順序是(SP)-2→SP；（A）→MSP，那么出棧操作的動(dòng)作順序應(yīng)為______

A、(MSP)→A，(SP)+2→SPB、(SP)+2→SP，(MSP)→AC、(SP-2)→SP，(MSP)→AD、(MSP)→A，（SP）-2→SP在8086中SP=2000H，AX＝3000H，BX＝5000H試問：

(1)執(zhí)行指令PUSHAX后，SP＝?

(2)再執(zhí)行指令PUSHBX及POPAX后，SP＝?，BX＝?請(qǐng)畫出堆棧變化示意圖。解：⑴SP＝2000H－2＝1FFEH⑵執(zhí)行PUSHBX和POPAX后，

SP＝1FFEH－2＋2＝IFFEH，BX＝5000H棧起始…Sp->200H棧起始…Sp->1FFEH3000H棧起始…Sp->1FFCH5000H3000H棧起始…5000HSp->1FFEH3000H初始狀態(tài)PUSHAX后PUSHBX后POPCX后例：設(shè)某計(jì)算機(jī)，指令長(zhǎng)度為16位，指令格式如下：OP為操作碼，R為寄存器編號(hào)

M為尋址方式，與D一起決定源操作數(shù)，規(guī)定如下：M=00立即尋址D是立即數(shù)M=01相對(duì)尋址D是位移量M=10變址尋址D是位移量設(shè)要執(zhí)行的加法指令，存放在001000單元中，D=01,該指令執(zhí)行前存儲(chǔ)器和有關(guān)寄存器的存儲(chǔ)情況如下所示(地址碼和數(shù)據(jù)均以八進(jìn)制表示)1511108765