計(jì)算機(jī)組成原理教學(xué)教案

5章指令系統(tǒng)機(jī)器指令的格式指令的含義指令〔Instruction〕是指揮計(jì)算機(jī)執(zhí)行某種操作的命令。從計(jì)算機(jī)組成的層次構(gòu)造來(lái)看，計(jì)算機(jī)的指令有微指令、機(jī)器指令和宏指令之分。條機(jī)器指令組成的軟件指令而機(jī)器指令則介于微指令和宏指令之間，通常簡(jiǎn)稱為指令。序的語(yǔ)句；的語(yǔ)言，它是硬件設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)硬件的依據(jù)。設(shè)計(jì)人員看得到的屬性，也是使用匯編語(yǔ)言的用戶能看到的屬性。指令格式所謂指令格式是指一條指令由什么樣的代碼組成，一條指令的構(gòu)造可用如下形式來(lái)表示。⒈一條指令應(yīng)當(dāng)包含如下信息：⑴操作碼：操作碼具體規(guī)定了操作的性質(zhì)及功能。一個(gè)包含n位操作碼的指令格式最多能夠表示2n條指令。⑵地址碼：指出操作數(shù)的存儲(chǔ)地址，CPU通過(guò)這個(gè)地址取得操作數(shù)。依據(jù)地址碼的不同，就有不同的指令格式。⑶操作結(jié)果的存放地址.⑷下一條要執(zhí)行的指令的地址.⒉指令格式依據(jù)地址碼所給出的地址的個(gè)數(shù)〔操作數(shù)的個(gè)數(shù)令、一地址指令、二地址指令、三地址指令和多地址指令〔或稱幾操作數(shù)指令。⑴零地址指令格式：這類指令只有操作碼而無(wú)操作數(shù)，通常也叫無(wú)操作數(shù)指令。⑵一地址指令格式：OPCodeA⑶二地址指令格式：OPCodeA1〔或目的操作數(shù)的存儲(chǔ)器地址或存放器名A2表示目的操作數(shù)的存儲(chǔ)器地址或存放器名〔器地址或存放器名。這類指令有兩個(gè)操作數(shù)地址，是最常用的指令格式。⑷三地址指令格式：OPCodeA1A2個(gè)操作數(shù)的存儲(chǔ)器地址或存放器名，A3這類指令有三個(gè)操作數(shù)地址，操作后A1、A2中的操作數(shù)均保持原來(lái)數(shù)據(jù)，操作結(jié)果存入A3⑸多地址指令這類指令有3檔小型機(jī)中承受，如字符串處理指令、向量、矩陣運(yùn)算指令等。少，執(zhí)行速度快，硬件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)潔等優(yōu)點(diǎn)，為構(gòu)造簡(jiǎn)潔的微、小型機(jī)所承受；在字長(zhǎng)較長(zhǎng)、功和多地址指令。在計(jì)算機(jī)中，指令和數(shù)據(jù)都是以二進(jìn)制碼的形式存儲(chǔ)的，機(jī)器是如何區(qū)分和判別呢？指令格式舉例以具有典型指令系統(tǒng)意義的PDP-11系列小型機(jī)的指令系統(tǒng)為例說(shuō)明，這是一種定長(zhǎng)指令、變長(zhǎng)操作碼、雙地址指令系統(tǒng)，指令長(zhǎng)度為16指令操作碼的編碼格式⒈固定格式操作碼的長(zhǎng)度是固定的，且集中放在指令字的某一個(gè)字段中。這種格式的優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)較長(zhǎng)的大中型機(jī)以及超級(jí)小型機(jī)上使用。假設(shè)某機(jī)器的操作碼長(zhǎng)度為n位，在固定格式下，它最多只能編制2n條不同的指令。⒉可變格式操作碼的長(zhǎng)度可變，且分散地放在指令字的不同字段中。較長(zhǎng)。一般在字長(zhǎng)較短的微小型機(jī)上廣為承受。可變格式的指令操作碼編碼格式去，以能表示更多的指令。164144字段，3415151516611540000～11101111A1⑵二地址指令15A1811110000～11111111，11110000～111111101511111111操作碼擴(kuò)展到A215A212111111110000～111111111111111111110000～11111111111015111111111111A3⑷零地址指令16條：操作碼擴(kuò)展到整個(gè)指令字，則操作碼有16位，可從1111111111110000～1111111111111111。指令操作碼擴(kuò)展技術(shù)的擴(kuò)展原則指令的譯碼時(shí)間，提高指令的執(zhí)行速度，也提高了程序的運(yùn)行速度。指令字長(zhǎng)度與機(jī)器字長(zhǎng)的關(guān)系指令字長(zhǎng)度：一個(gè)指令字中所包含的二進(jìn)制數(shù)碼的位數(shù)。機(jī)器字長(zhǎng)：是指計(jì)算機(jī)的運(yùn)算部件一次能直接處理的二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位數(shù)，一般簡(jiǎn)稱為字長(zhǎng)，它是計(jì)算機(jī)的一項(xiàng)重要的技術(shù)指標(biāo)。字長(zhǎng)主要打算計(jì)算機(jī)的運(yùn)算精度，字長(zhǎng)越長(zhǎng)，計(jì)算機(jī)的運(yùn)算精度就越高。字長(zhǎng)對(duì)計(jì)算機(jī)指令的直接尋址力量也有直接影響，字長(zhǎng)長(zhǎng)，尋址空間相對(duì)較大。指令字長(zhǎng)與機(jī)器字長(zhǎng)有著親熱的關(guān)系。1、2、4、8倍，計(jì)算機(jī)指令的長(zhǎng)度主要取決于操作條指令長(zhǎng)度是不一樣的，為了充分利用存儲(chǔ)空間，指令的長(zhǎng)度通常承受字節(jié)的整數(shù)倍。同時(shí)存在長(zhǎng)指令格式和短指令格式。指令助記符憶的符號(hào)而不是二進(jìn)制數(shù)碼來(lái)編寫程序就要便利得多。例如ADD表示加法操作SUB 表示減法操作MUL 表示乘法操作…ADD、SUB、MUL等符號(hào)就是助記符。用助記符來(lái)表示二進(jìn)制數(shù)碼指令序列的語(yǔ)言，稱為匯編語(yǔ)言，它實(shí)際上是與機(jī)器語(yǔ)言是一一對(duì)應(yīng)的。尋址方式尋址方式和有效地址的概念⒈尋址方式的概念所謂尋址，就是查找操作數(shù)的地址。尋址方式就是查找操作數(shù)地址的方式，也稱編3⑴存儲(chǔ)器尋址：操作數(shù)在內(nèi)存儲(chǔ)器中。這時(shí)指令的地址碼局部指明白操作數(shù)所在的內(nèi)存單元的地址。⑵存放器尋址：操作數(shù)在運(yùn)算部件的某個(gè)存放器中。這時(shí)指令的地址碼局部指明白CPU⑶馬上數(shù)尋址：操作數(shù)就在指令中。指令的地址碼局部就是操作數(shù)本身，這種操作數(shù)叫做馬上數(shù)。⒉有效地址的概念操作數(shù)的地址被稱為有效地址，用EA表示，在Intel324⑴基址存放器內(nèi)容⑵變址存放器內(nèi)容⑶位移量⑷比例因子〔1、2、48〕有效地址的計(jì)算方法為：EA=基址+〔變址×比例因子〕+位移量⒈隱含尋址方式隱含尋址方式是指操作數(shù)隱含在CPU的某個(gè)通用存放器或內(nèi)存的某指定單元中，指型機(jī)上普遍承受的尋址方式。如在Intel8086/8088MULOPRMULOPR是乘數(shù)，而被乘數(shù)則隱含在累加器AX(16AL(8⒉馬上數(shù)尋址方式操作數(shù)由指令的地址碼局部直接給出的尋址方式稱為馬上數(shù)尋址方式。當(dāng)取出指令時(shí)，操作碼和操作數(shù)同時(shí)被取出，不必再去訪問(wèn)存儲(chǔ)器，因此這類尋址儲(chǔ)器單元賦初值或供給一個(gè)常數(shù)等。例如，Intel8086/8088的傳送指令MOV，AX，imm由馬上數(shù)imm直接給出的操作數(shù)傳送到累加器AX⒊直接尋址方式指令的地址碼局部給出的不是操作數(shù)，而是操作數(shù)在存儲(chǔ)器中的存儲(chǔ)地址。這種尋址方式簡(jiǎn)潔、直觀，也便于硬件實(shí)現(xiàn)，指令執(zhí)行速度較快，但是操作數(shù)的地址是指令的一局部，不能修改，因此只能用于訪問(wèn)固定存儲(chǔ)器單元的指令。如，Intel8086/8088的傳送指令MOVAX，[address]⒋存放器尋址方式指令的地址碼局部給出的是存放操作數(shù)的某一通用存放器名的尋址方式稱為存放器尋址方式。其有效地址為：EA=R這種尋址方式的地址碼較短，而且從存放器中存取數(shù)據(jù)比從存儲(chǔ)器中取數(shù)快得多，中得到廣泛的應(yīng)用。⒌間接尋址方式指令的地址碼局部給出的不是操作數(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，簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)址。其有效地址為：EA=(A0)⒍存放器間接尋址方式稱為存放器間接尋址方式。其有效地址為：EA=(R)被廣泛承受。⒎變址尋址方式以變址存放器中的內(nèi)容為基址，加上指令地址碼局部給出位移量之和作為操作數(shù)的地址來(lái)獲得操作數(shù)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⒏相對(duì)尋址方式把程序計(jì)數(shù)器PC的當(dāng)前內(nèi)容與指令地址碼局部給出的地址(常常是位移量)之和作為操作數(shù)地址的尋址方式。有效地址為：EA=(PC)+A⒐基址存放器尋址方式在這種尋址方式中，把主存的整個(gè)存儲(chǔ)空間分成假設(shè)干段，段的首地址存放于基址存放器中，段內(nèi)位移量由指令直接給出。操作數(shù)在存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)地址就等于基址存放器RB的內(nèi)容(即段首地址)與段內(nèi)位移量A其有效地址為：EA=(RB)+A優(yōu)點(diǎn)是可通過(guò)修改基址存放器的內(nèi)容就可以訪問(wèn)存儲(chǔ)器的任一單元?；穼ぶ芳夹g(shù)原先用于大、中型機(jī)中，現(xiàn)已被移植到微、小型機(jī)上。根本尋址方式尋址方式舉例以PDP-11系列機(jī)為例，說(shuō)明計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)的尋址方式〔參看教材表5.1〕PDP-11系列機(jī)的指令字長(zhǎng)為16位，指令有單操作數(shù)指令和雙操作數(shù)指令兩類，其地址碼字段的長(zhǎng)6指令的種類數(shù)據(jù)傳送類指令這類指令包括數(shù)據(jù)傳送、數(shù)據(jù)交換、壓棧和退棧指令三種指令。⒈數(shù)據(jù)傳送指令這是一種常用指令，用以實(shí)現(xiàn)存放器與存放器、存放器與存儲(chǔ)單元、存儲(chǔ)單元與存Intel8086/8088MOVS字節(jié)。Intel8086/8088MOV。⒉數(shù)據(jù)交換指令這類指令的功能是實(shí)現(xiàn)兩個(gè)操作數(shù)之間的位置互換，這兩個(gè)操作數(shù)可以是兩個(gè)存放實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的雙向傳送，一條數(shù)據(jù)交換指令起到了三條數(shù)據(jù)傳送指令的作用。也應(yīng)留意，有些計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)交換指令不能實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)單元與存儲(chǔ)單元之間的數(shù)據(jù)互換，如Intel8086/8088XCHG⒊壓棧和退棧指令壓棧指令功能是把數(shù)據(jù)存入堆棧區(qū)，而退棧指令的功能是把數(shù)據(jù)從堆棧中彈出。堆棧是主存中特地用來(lái)存放數(shù)據(jù)的一個(gè)特定的區(qū)域依據(jù)先進(jìn)后出(FILO)原則存取數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)區(qū)。⑴棧底以下是非棧區(qū)，不能放入數(shù)據(jù)，棧底以上是棧區(qū)，可存放數(shù)據(jù)。⑵為了指示棧頂?shù)奈恢?，需要有一個(gè)堆棧指示器〔或稱堆棧指針〕SP。Intel8086/8088PUSH)用來(lái)把指定的操作數(shù)送入堆棧的棧頂，而退棧指令(在Intel8086/8088中是POP)則用來(lái)把棧頂?shù)臄?shù)據(jù)取出。壓棧和退棧示意圖算術(shù)規(guī)律運(yùn)算類指令這類指令包括算術(shù)運(yùn)算指令、規(guī)律運(yùn)算指令和移位指令。⒈算術(shù)運(yùn)算指令算術(shù)運(yùn)算指令有二進(jìn)制數(shù)的加、減、比較和求補(bǔ)，乘、除運(yùn)算指令，浮點(diǎn)運(yùn)算指令，以及十進(jìn)制運(yùn)算指令等。執(zhí)行算術(shù)運(yùn)算指令后，通常都要依據(jù)算術(shù)運(yùn)算的結(jié)果置狀態(tài)存放器的狀態(tài)位。⒉規(guī)律運(yùn)算指令一般計(jì)算機(jī)都具有與、或、非〔求反、異或〔按位加〕和測(cè)試等規(guī)律運(yùn)算指令。有些計(jì)算機(jī)還具有位測(cè)試、位去除、位求反等位操作指令。⒊移位指令移位指令可分為算術(shù)移位、規(guī)律移位和循環(huán)移位三類指令，移位又有左移和右移，這樣，就有算術(shù)左移指令、算術(shù)右移指令、規(guī)律左移指令、規(guī)律右移指令、不帶進(jìn)位位左循8字符串處理指令字符串處理指令主要用于非數(shù)值數(shù)據(jù)的處理。它包括字符串傳送字符串轉(zhuǎn)換字符串比較字符串查找字符串匹配字符串抽取和替換等指令。輸入/輸出〔I/O〕指令輸入/輸出指令是完成主機(jī)或CPU與輸入/輸出設(shè)備之間傳送數(shù)據(jù)的命令。輸入/輸出指令的一般格式為：其中，OPI/OREGCPUA有些計(jì)算機(jī)，例如DEC公司的PDP-11，是把外設(shè)與存儲(chǔ)器統(tǒng)一編址，把外設(shè)看成是特權(quán)指令和陷阱指令⒈特權(quán)指令特權(quán)指令是指具有特別權(quán)限的指令，這類指令一般單用戶、單任務(wù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)不令的功能包括：轉(zhuǎn)變系統(tǒng)的工作方式，檢測(cè)用戶的訪問(wèn)權(quán)限，修改虛擬存儲(chǔ)器治理的段表、頁(yè)表，完成任務(wù)的創(chuàng)立和切換等。為了安全，這類指令一般不直接供給應(yīng)用戶使用。⒉陷阱指令所謂陷阱指令是處理陷阱的指令。轉(zhuǎn)移指令轉(zhuǎn)移指令是轉(zhuǎn)變程序執(zhí)行挨次的指令。一般狀況下，CPU是按編程挨次執(zhí)行指令的，但移指令，以實(shí)現(xiàn)程序的分支。轉(zhuǎn)移指令分為無(wú)條件轉(zhuǎn)移和條件轉(zhuǎn)移兩類指令。⒈無(wú)條件轉(zhuǎn)移指令無(wú)條件轉(zhuǎn)移指令不受任何條件的約束，直接掌握CPU轉(zhuǎn)移到指定的地點(diǎn)去執(zhí)行。如Intel80386/80486JMP⒉條件轉(zhuǎn)移指令條件轉(zhuǎn)移指令則先測(cè)試某些條件，條件滿足就轉(zhuǎn)移，否則不轉(zhuǎn)移。條件轉(zhuǎn)移指令推斷條件是CPUC為零標(biāo)志Z、結(jié)果為負(fù)標(biāo)志N、結(jié)果溢出標(biāo)志、奇偶標(biāo)志P。具體指令請(qǐng)參看教5.2子程序調(diào)用指令子程序調(diào)用指令包括調(diào)用指令〔轉(zhuǎn)子指令〕和返回指令〔返主指令。要留意子程序調(diào)用指令和轉(zhuǎn)移指令的區(qū)分。①目的地址不同②用途不同③方式不同處理器掌握指令處理器掌握指令是直接掌握CPU機(jī)指令、等待指令、空操作指令、封鎖總線指令等。指令的執(zhí)行方式在目前的計(jì)算機(jī)中，指令的執(zhí)行有三種方式：挨次執(zhí)行方式重疊執(zhí)行方式流水線方式挨次執(zhí)行方式是一條指令接著一條指令的執(zhí)行方式。挨次執(zhí)行方式的特點(diǎn)：⑴就整個(gè)程序而言，是一條指令接著一條指令挨次地串行執(zhí)行的。⑵就一條指令而言，其取指、分析、執(zhí)行三個(gè)步驟也是挨次串行進(jìn)展的。⑶這種執(zhí)行方式的優(yōu)點(diǎn)是掌握簡(jiǎn)潔，硬件簡(jiǎn)潔實(shí)現(xiàn)，但執(zhí)行速度慢。多條指令在執(zhí)行時(shí)在時(shí)間段上有重疊的執(zhí)行指令方式稱為重疊執(zhí)行方式。重疊執(zhí)行方式的特點(diǎn)：⑴就每條指令而言，其內(nèi)部的各個(gè)操作仍為挨次串行執(zhí)行；⑵從相鄰兩條指令來(lái)看，它們的某些操作是同時(shí)進(jìn)展的；⑶其優(yōu)點(diǎn)是明顯的提高了指令的執(zhí)行速度；⑷缺點(diǎn)是這種執(zhí)行方式技術(shù)較簡(jiǎn)單。流水線方式是把指令的執(zhí)行過(guò)程分解為假設(shè)干個(gè)子過(guò)程，分別由不同的硬件去執(zhí)行的方式。44流水線的指令執(zhí)行方式的特點(diǎn)：⑴就每條指令而言，其各子過(guò)程內(nèi)仍為挨次串行執(zhí)行，即未轉(zhuǎn)變一條指令的執(zhí)行時(shí)間。流水線執(zhí)行方式明顯的加快了程序的執(zhí)行速度。指令的挨次執(zhí)行方式重疊執(zhí)行方式流水線方式指令的執(zhí)行過(guò)程有關(guān)指令周期的概念⑴指令周期：執(zhí)行一條指令所需要的時(shí)間。也就是從取指令開頭到執(zhí)行完這條指令為止的全部時(shí)間。一個(gè)指令周期由假設(shè)干個(gè)機(jī)器周期組成。⑵CPU周期：也叫機(jī)器周期。是指CPU訪問(wèn)一次主存或輸入輸出端口所需要的時(shí)間。CPU⑶時(shí)鐘周期：是CPUTT指令周期、CPU3CPUCPU周期TC14CPU周期TC24CPU周期TC33期組成。⑷取指和取指周期從主存儲(chǔ)器中讀出指令，稱為“取指”，讀出一條指令所需的時(shí)間稱為“取指周CPU周期時(shí)間。⑸執(zhí)行指令和執(zhí)行時(shí)間取指操作后實(shí)現(xiàn)指令功能的全過(guò)程稱為“執(zhí)行指令”“執(zhí)行時(shí)間”。指令不同其執(zhí)行時(shí)間也不同，一般一條指令的執(zhí)行時(shí)間需要1個(gè)到假設(shè)干個(gè)CPU取指周期和執(zhí)行時(shí)間之和稱為指令周期，即從取指開頭到指令執(zhí)行完畢所需的總時(shí)間。【例】某型號(hào)微型計(jì)算機(jī)的一條指令周期由4個(gè)機(jī)器周期組成，而每個(gè)機(jī)器周期由4個(gè)時(shí)鐘周期組成，該機(jī)的主頻為1.3GHz，試求：①該機(jī)器的時(shí)鐘周期為多少？②執(zhí)行一條指令所需的時(shí)間是多少？1s解：①由于主頻f=1.3GHz，所以時(shí)鐘周期 T=1/f=1/(1.3 × 109)=0.7692307×10-9s=0.7692307ns②4×4×0.7692307ns=12.307891ns③N=1/12.307891×109=0.08125×109=8.125MIPS⒉指令執(zhí)行過(guò)程簡(jiǎn)析以三種根本指令——數(shù)據(jù)傳送、加法運(yùn)算和轉(zhuǎn)移指令的執(zhí)行過(guò)程，來(lái)說(shuō)明一般指令在指令執(zhí)行過(guò)程中的共同規(guī)律。⑴數(shù)據(jù)傳送指令指令形式：MOVR1，R2解釋：該指令是把源存放器R1的內(nèi)容傳送到目的存放器R2操作過(guò)程：該指令執(zhí)行的三個(gè)過(guò)程——取指、分析、執(zhí)行。PC內(nèi)容〔指令地址〕MAR，送地址總線，然后由地址總線選中所在的主存單元，取出該指令代碼，經(jīng)數(shù)據(jù)總線輸入CPU中指令存放器IR。②分析〔指令譯碼：指令操作碼經(jīng)指令譯碼后，識(shí)別出這是一條從存放器R2到R1的存放器傳送指令；R1、R2的地址碼經(jīng)地址譯碼器找到R1、R2所對(duì)應(yīng)存放器。在指令譯碼的同時(shí)，程序計(jì)數(shù)器PC1，以指向下一條指令，保證程序的挨次執(zhí)行。③執(zhí)行：依據(jù)指令的譯碼結(jié)果，以及所選中的R1、R2存放器，掌握器發(fā)出相應(yīng)的掌握信號(hào)，有序的開啟三態(tài)門，通過(guò)數(shù)據(jù)總線進(jìn)展數(shù)據(jù)傳送操作，將R2中的數(shù)據(jù)傳送到R1中。⑵加法指令指令形式：ADDEAAC中的值，EA為存放另一個(gè)操作數(shù)的主AC和有效地址為EA送回到累加器AC(AC)+(EA)→AC。操作過(guò)程：該指令執(zhí)行的三個(gè)過(guò)程——取指、分析、執(zhí)行。PC內(nèi)容〔指令地址〕MAR，送地址總線，然后由地址總線選中所在的主存單元，取出該指令代碼，經(jīng)數(shù)據(jù)總線輸入CPU中指令存放器IR?！仓噶钭g碼AC與主存單元相加的加法指令,IR中的數(shù)據(jù)地址EA輸出到地址總線上，然后從主存單元中讀出數(shù)據(jù)，經(jīng)數(shù)據(jù)總線裝入CPU中的暫存存放器TRPC1，以指向下一條指令，保證程序的挨次執(zhí)行。③執(zhí)行：AC中的數(shù)據(jù)與TR中的數(shù)據(jù)送入ALUALU數(shù)據(jù)總線輸入AC⑶轉(zhuǎn)移指令指令形式：JMPEA解釋：該指令是無(wú)條件轉(zhuǎn)移到以EA為轉(zhuǎn)移地址的轉(zhuǎn)移指令。操作過(guò)程：該指令執(zhí)行的三