《計(jì)算機(jī)原理》課件第5章

第5章指令系統(tǒng)5.1指令系統(tǒng)與性能5.2機(jī)器指令5.3操作碼的編碼方法5.4地址碼的尋址方式5.5典型的指令系統(tǒng)關(guān)聯(lián)習(xí)題5.1指令系統(tǒng)與性能5.1.1指令與指令系統(tǒng)指令是指示計(jì)算機(jī)去執(zhí)行某種操作的命令。如果命令是二進(jìn)制代碼形式，則相應(yīng)的指令為機(jī)器指令，機(jī)器指令是計(jì)算機(jī)能直接識(shí)別并執(zhí)行的指令，而用任何其他形式的指令或語(yǔ)言所編寫的程序必須通過(guò)“翻譯”或“編譯”，編譯成機(jī)器語(yǔ)言程序，才能在計(jì)算機(jī)中運(yùn)行。指令系統(tǒng)則是指計(jì)算機(jī)所有機(jī)器指令的集合，也稱指令集(InstructionSet)。它是面向機(jī)器的，不同的計(jì)算機(jī)具有不同的指令系統(tǒng)，反過(guò)來(lái)講，不同的指令系統(tǒng)決定了計(jì)算機(jī)不同的性能和功能。隨著計(jì)算機(jī)的發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)大，指令系統(tǒng)越來(lái)越豐富，機(jī)器指令的數(shù)量成倍增長(zhǎng)，多達(dá)成百上千條，如此龐大的指令系統(tǒng)我們稱之為復(fù)雜指令系統(tǒng)(CIS)，具有復(fù)雜指令系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)稱為復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)(CISC)。CISC就是采用復(fù)雜的指令系統(tǒng)，來(lái)達(dá)到增強(qiáng)計(jì)算機(jī)的功能、提高速度的目的。經(jīng)過(guò)對(duì)CISC指令使用頻率的測(cè)試分析，發(fā)現(xiàn)只有占指令系統(tǒng)20%的指令是常用的，剩余80%的指令在程序中出現(xiàn)的概率大約為20%。測(cè)試結(jié)果表明：花費(fèi)巨大代價(jià)所增加的復(fù)雜指令只有20%左右的使用率，這將造成計(jì)算機(jī)硬件資源的巨大浪費(fèi)。為此，人們開(kāi)始考慮能否用最常用的20%左右的簡(jiǎn)單指令來(lái)組合實(shí)現(xiàn)不常用的80%的指令，于是，出現(xiàn)了精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)(RIS)和精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)(RISC)。精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)(RIS)是對(duì)復(fù)雜指令系統(tǒng)(CIS)進(jìn)行簡(jiǎn)化和優(yōu)化，使機(jī)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化的同時(shí)，有效地提高機(jī)器的性能、速度和性能價(jià)格比。5.1.2指令系統(tǒng)的性能指令系統(tǒng)的性能將決定計(jì)算機(jī)的基本功能，因此，指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的一個(gè)核心問(wèn)題，它不僅與計(jì)算機(jī)的硬件緊密相關(guān)，還直接影響到用戶的使用。一個(gè)完善的指令系統(tǒng)應(yīng)滿足以下幾個(gè)方面的要求：

(1)完備性：要求機(jī)器的指令系統(tǒng)豐富，且功能齊全。

(2)有效性：是指用指令系統(tǒng)中的指令所編寫的程序能被高效率地運(yùn)行。高效率表現(xiàn)在程序所占存儲(chǔ)空間小、執(zhí)行速度快。

(3)規(guī)整性：包括指令系統(tǒng)的對(duì)稱性、均勻性、一致性。對(duì)稱性是指寄存器與存儲(chǔ)器的對(duì)稱，能對(duì)寄存器操作的指令同樣能對(duì)存儲(chǔ)器操作。均勻性是指各種數(shù)據(jù)類型適用于一種操作性質(zhì)的指令。一致性是指指令長(zhǎng)度和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度通常是字節(jié)的整數(shù)倍。

(4)兼容性：是指“向上兼容”，即抵擋機(jī)上運(yùn)行的軟件可以在高檔機(jī)上運(yùn)行。

(5)可擴(kuò)展性：是指保留一定余量的操作碼空間，便于擴(kuò)展指令使用。5.2機(jī)器指令5.2.1機(jī)器指令的格式根據(jù)指令的概念，一條機(jī)器指令形式上是一串二進(jìn)制代碼，我們通常把表示機(jī)器指令的這一串二進(jìn)制代碼稱為指令字。作為一個(gè)指令字，不僅要表示出指令所進(jìn)行的某種具體操作，還要表示出指令對(duì)誰(shuí)操作以及操作結(jié)果的去向，即指令的操作對(duì)象。因此，任何一條機(jī)器指令都由兩部分組成：一部分是操作碼，另一部分是地址碼。其格式為操作碼OP：是指令所進(jìn)行的具體操作的編碼。不同的指令相應(yīng)的操作和功能不同，則需要用不同的操作碼來(lái)表示。因此，操作碼的長(zhǎng)度與機(jī)器所能執(zhí)行操作的多少有關(guān)。地址碼A：是指令操作對(duì)象的地址編碼。它是一個(gè)廣義的概念，它不僅可以是操作對(duì)象的存儲(chǔ)地址，還可以是操作對(duì)象本身。因此，地址碼的長(zhǎng)度與存儲(chǔ)器的容量、寄存器的多少、機(jī)器的字長(zhǎng)有關(guān)。5.2.2指令字的長(zhǎng)度指令字的長(zhǎng)度是指一個(gè)指令字所包含的二進(jìn)制代碼的位數(shù)。結(jié)合機(jī)器指令的格式，指令字的長(zhǎng)度取決于操作碼的長(zhǎng)度、地址碼的長(zhǎng)度和地址碼的個(gè)數(shù)，因此，影響指令字長(zhǎng)度的因素有多種，不同指令系統(tǒng)的指令長(zhǎng)度各不相同，同一個(gè)指令系統(tǒng)的不同指令其長(zhǎng)度也不盡相同，但為了便于存儲(chǔ)，指令字的長(zhǎng)度與機(jī)器字長(zhǎng)之間具有一定的匹配關(guān)系，通常指令長(zhǎng)度設(shè)計(jì)為字節(jié)的整數(shù)倍。例如8086/8088CPU的指令系統(tǒng)，最短的指令長(zhǎng)度為1個(gè)字節(jié)，最長(zhǎng)的指令長(zhǎng)度為6個(gè)字節(jié)；再如奔騰系列機(jī)的指令系統(tǒng)，最短的指令長(zhǎng)度為1個(gè)字節(jié)，最長(zhǎng)的指令長(zhǎng)度為12個(gè)字節(jié)。由于指令的長(zhǎng)度不盡相同，我們不僅可以將指令按其長(zhǎng)度進(jìn)行分類，還可以將指令系統(tǒng)進(jìn)行分類。如果指令的長(zhǎng)度等于機(jī)器的字長(zhǎng)，這樣的指令稱為單字長(zhǎng)指令；如果指令的長(zhǎng)度等于兩倍的機(jī)器字長(zhǎng)，這樣的指令稱為雙字長(zhǎng)指令；還可以分為更多倍字長(zhǎng)的指令以及半字長(zhǎng)指令等。如果指令系統(tǒng)中各種指令字的長(zhǎng)度均固定，則稱為定長(zhǎng)指令字結(jié)構(gòu)；如果指令系統(tǒng)中各種指令字的長(zhǎng)度隨指令功能而異，則稱為可變長(zhǎng)指令字結(jié)構(gòu)。定長(zhǎng)指令字結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，指令的譯碼時(shí)間短，有利于硬件控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，多用于機(jī)器字長(zhǎng)較長(zhǎng)的大、中型計(jì)算機(jī)和精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)。但指令字的長(zhǎng)度普遍較長(zhǎng)，冗余現(xiàn)象嚴(yán)重，不利于指令擴(kuò)展?？勺冮L(zhǎng)指令字結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)靈活，能充分利用指令中的每一位，信息冗余少，平均指令長(zhǎng)度短，易于指令的擴(kuò)展。但指令格式不規(guī)整，硬件控制系統(tǒng)復(fù)雜。5.2.3機(jī)器指令的分類機(jī)器指令不僅可以按其長(zhǎng)度劃分為單字指令、雙字指令和多字指令，還可以按指令中地址碼的多少將機(jī)器指令劃分為：零地址指令、單地址指令、雙地址指令和多地址指令。

1．零地址指令零地址指令的指令字中只有操作碼，而沒(méi)有地址碼。其格式為零地址指令有以下兩種情況：第一是指令不需要操作對(duì)象，也就不需要地址碼，例如停機(jī)指令、空操作指令等。第二是指令需要一個(gè)操作對(duì)象，但這個(gè)操作對(duì)象可以隱含，從而指令的地址碼也可隱含，例如對(duì)堆棧、累加器操作的指令。指令功能為：OP(AC)→AC。

2．單地址指令單地址指令的指令字中只有一個(gè)地址碼A，也稱為一地址指令。其格式為單地址指令有以下兩種情況：第一是指令有一個(gè)操作對(duì)象，并且這個(gè)操作對(duì)象不能隱含，必須用一個(gè)地址碼表示，例如加1指令、減1指令等。指令功能為：OP(A)→A。第二是指令有兩個(gè)操作對(duì)象，其中一個(gè)操作對(duì)象隱含，通常指累加器(AC)，另一個(gè)用一個(gè)地址碼表示，例如加法指令、減法指令等。指令功能為：(AC)OP(A)→AC。

3．雙地址指令雙地址指令的指令字中有兩個(gè)地址碼A1和A2，也稱為二地址指令。其格式為雙地址指令的指令功能為：(A1)OP(A2)→A1或(A1)OP(A2)→A2。雙地址指令可以分為三種指令類型：

(1)S—S型指令，即存儲(chǔ)器—存儲(chǔ)器型指令，是指指令中兩個(gè)操作對(duì)象都是存儲(chǔ)器，用地址碼A1和A2表示，A1、A2為主存地址。

(2)R—R型指令，即寄存器—寄存器型指令，是指指令中兩個(gè)操作對(duì)象都是寄存器，用地址碼R1和R2表示，R1、R2為寄存器地址。

(3)?R—S型指令，即寄存器—存儲(chǔ)器型指令，是指指令中兩個(gè)操作對(duì)象一個(gè)是寄存器，一個(gè)是存儲(chǔ)器，用地址碼R和A表示，R為寄存器地址，A為主存地址。在以上三種指令類型中，R—R型指令在被執(zhí)行過(guò)程中不需要訪問(wèn)存儲(chǔ)器，執(zhí)行速度最快，因此是雙地址指令中最常用的一種指令格式，尤其在RISC中，所有運(yùn)算指令均為R—R型指令。4．三地址指令三地址指令的指令字中有三個(gè)地址碼A1、A2和A3，也稱為多地址指令。其格式為三地址指令的指令功能為：(A1)OP(A2)→A3。三地址指令的指令字較長(zhǎng)，多用于字長(zhǎng)較長(zhǎng)的大、中型計(jì)算機(jī)中，小型機(jī)和微型機(jī)很少使用。5.3操作碼的編碼方法操作碼是機(jī)器指令的重要組成部分，是對(duì)指令所執(zhí)行操作的編碼，指令不同其操作碼也不同，具體表現(xiàn)在：操作碼長(zhǎng)度相同，操作碼不同或操作碼長(zhǎng)度不同。所以，按指令字中操作碼的長(zhǎng)度是否相同或固定，可以將操作碼的編碼分為固定長(zhǎng)度的定長(zhǎng)編碼和可變長(zhǎng)度的變長(zhǎng)編碼兩種。5.3.1定長(zhǎng)編碼定長(zhǎng)編碼是最簡(jiǎn)單的操作碼編碼方法。由于操作碼的長(zhǎng)度和位置在指令字中是固定的，有利于簡(jiǎn)化指令結(jié)構(gòu)和減少指令的譯碼時(shí)間，因此適用于字長(zhǎng)較長(zhǎng)的大、中型計(jì)算機(jī)。例如IBM370機(jī)，其字長(zhǎng)是32位，指令分為半字長(zhǎng)、單字長(zhǎng)、1.5倍字長(zhǎng)指令類型，無(wú)論哪種類型的指令，其操作碼的長(zhǎng)度和位置都是固定的，由于操作碼的長(zhǎng)度固定為8位，指令系統(tǒng)所能允許的指令條數(shù)最多為28=256條，實(shí)際上IBM?370機(jī)只有183條指令，剩余的操作碼編碼為非法的操作碼。如果操作碼的編碼采用定長(zhǎng)編碼，則指令字中的操作碼長(zhǎng)度取決于指令系統(tǒng)中的全部指令條數(shù)。例如，若指令系統(tǒng)中有m條指令，則操作碼的長(zhǎng)度n應(yīng)滿足下式：n≥lb?m

(5-1)5.3.2變長(zhǎng)編碼變長(zhǎng)編碼是指指令字中操作碼的長(zhǎng)度和位置不固定，隨指令的不同而存在差異。采用變長(zhǎng)編碼方法，可以有效地壓縮操作碼的平均長(zhǎng)度，在小型機(jī)和微機(jī)中被廣泛采用。如小型機(jī)PDP-11，機(jī)器字長(zhǎng)為16位，指令分為單字長(zhǎng)、雙字長(zhǎng)、三字長(zhǎng)等指令類型，操作碼占5～6位，且遍及整個(gè)指令字長(zhǎng)度范圍。但由于操作碼長(zhǎng)度和位置不固定，因此增加了指令譯碼和分析的難度，使硬件設(shè)計(jì)復(fù)雜化。

1．操作碼擴(kuò)展技術(shù)在不增加指令字長(zhǎng)度的情況下，通過(guò)采用操作碼擴(kuò)展技術(shù)，使操作碼的長(zhǎng)度隨地址碼的減少而增加，這樣一來(lái)，對(duì)于地址碼個(gè)數(shù)不同的指令，可以具有不同長(zhǎng)度的操作碼，從而可以充分利用指令字的地址碼，使有限的指令字長(zhǎng)度可以表示更多的指令。設(shè)機(jī)器指令字長(zhǎng)度為16位。其中操作碼為4位，地址碼為4位。指令格式為如果采用定長(zhǎng)編碼，4位操作碼只能表示16條三地址指令。如果指令系統(tǒng)中除三地址指令外，還有二地址、一地址和零地址指令，且要求有15條三地址指令、15條二地址指令、15條一地址指令和16條零地址指令，則采用定長(zhǎng)編碼方法是無(wú)法滿足上述要求的，這就需要采用變長(zhǎng)編碼方法，操作碼的長(zhǎng)度隨地址碼的減少而增加，具體操作碼擴(kuò)展如下：

【例5-1】

某機(jī)器指令字長(zhǎng)度為16位。其中地址碼長(zhǎng)度為4位。如果指令系統(tǒng)中三地址指令有11條、二地址指令有72條、零地址指令有64條，則最多還能設(shè)計(jì)多少條一地址指令？解：對(duì)于三地址指令：地址碼共占12位，指令字中還剩4位用于操作碼，其編碼最多為24=16個(gè)，由于實(shí)際只有11條三地址指令，所以還剩下16-11=4個(gè)編碼，可用于二地址指令。對(duì)于二地址指令：地址碼共占8位，指令字中還剩8位用于操作碼，扣除三地址指令用過(guò)的操作碼，其編碼最多為5×24=80個(gè)，由于實(shí)際只有72條二地址指令，所以還剩下80-72=8個(gè)編碼，可用于一地址指令。對(duì)于一地址指令：地址碼共占4位，指令字中還剩12位用于操作碼，扣除三地址指令和二地址指令用過(guò)的操作碼，其編碼最多為8×24=128個(gè)，如果這128個(gè)編碼都表示一地址指令，那么指令系統(tǒng)中就不存在零地址指令，實(shí)際上存在有零地址指令，所以，這128個(gè)編碼并不都是一地址指令。究竟一地址指令還能設(shè)計(jì)多少條，這就取決于實(shí)際存在的零地址指令條數(shù)。由于系統(tǒng)要求有64條零地址指令，而4位操作碼只能最多表示16條指令，所以，需要一地址指令提供64/16=4個(gè)操作碼編碼用于零地址指令，以保證零地址指令有64條。因此，指令系統(tǒng)中一地址指令最多還能設(shè)計(jì)128-4=124條指令。

2．Huffman編碼法

Huffman編碼法是根據(jù)各種指令使用的頻率不同，采用優(yōu)化技術(shù)，將使用頻率最高的指令用最短的編碼表示，而對(duì)于使用頻率較低的指令用較長(zhǎng)的編碼表示，從而縮短操作碼的平均長(zhǎng)度。采用Huffman編碼法所得到的操作碼的平均長(zhǎng)度為其中，pi是第i條指令使用的頻率，li是第i條指令操作碼的長(zhǎng)度，n是指令總數(shù)。下面以10條指令的機(jī)器為例來(lái)說(shuō)明Huffman編碼過(guò)程。已知10條指令的使用頻率如表5-1所示。表5-1指令的使用頻率

1)?Huffman樹(shù)根據(jù)指令的使用頻率，畫出Huffman樹(shù)，具體步驟如下：

(1)按頻率大小進(jìn)行排列，頻率相同的可任意排列。

(2)把出現(xiàn)頻率最小的兩項(xiàng)進(jìn)行合并，將其頻率相加，再把相加后的頻率進(jìn)行重新排序。

(3)重復(fù)步驟(2)，直至只剩下最后兩個(gè)頻率，再將其合并，便形成Huffman樹(shù)，如圖5-1所示。圖5-1Huffman樹(shù)

2)?Huffman編碼過(guò)程根據(jù)Huffman樹(shù)，從根節(jié)點(diǎn)(最后兩個(gè)頻率形成的節(jié)點(diǎn))開(kāi)始編碼，左分支編碼為“1”，右分支編碼為“0”；各個(gè)子節(jié)點(diǎn)也同根節(jié)點(diǎn)一樣，左分支編碼為“1”，右分支編碼為“0”，直到末節(jié)點(diǎn)為止。各條指令的編碼便是從根節(jié)點(diǎn)開(kāi)始到末節(jié)點(diǎn)結(jié)束的一個(gè)二進(jìn)制代碼，如表5-2所示。采用Huffman編碼法所得到的操作碼平均長(zhǎng)度為表5-2Huffman編碼結(jié)果

H=

pi×li=(0.30+0.20)×2+(0.16+0.09+0.08+

0.07+0.04)×4+(0.03+0.02+0.01)×6

=1+0.75+0.76+0.15+0.18

=2.85若采用定長(zhǎng)編碼，由于指令有10條，所以操作碼的長(zhǎng)度為4?？梢?jiàn)，采用Huffman編碼法更有效地縮短了操作碼的平均長(zhǎng)度。

3．?dāng)U展編碼法采用Huffman編碼法能更有效地縮短操作碼的平均長(zhǎng)度，但這種編碼方法所形成的操作碼很不規(guī)整，將會(huì)給譯碼造成極大的困難，不利于軟件的編譯。于是，采取了一種折中的方案，即將Huffman編碼法與定長(zhǎng)編碼法進(jìn)行有效結(jié)合，在縮短操作碼平均長(zhǎng)度的基礎(chǔ)上，使操作碼更加規(guī)整。這種編碼方法稱為擴(kuò)展編碼法。擴(kuò)展編碼結(jié)果如表5-2所示。采用擴(kuò)展編碼法所得到的操作碼平均長(zhǎng)度為H=pi×li=(0.30+0.20)×2+(0.16+0.09)×3+(0.08+0.07+0.04)×4+0.03?×?5+(0.02+0.01)×?6=1+1.76+0.36=3.125.4地址碼的尋址方式尋址方式是指在指令被執(zhí)行的過(guò)程中，根據(jù)指令字中的地址碼去尋找操作對(duì)象的方式。如果地址碼所表示的操作對(duì)象是數(shù)據(jù)信息，則這樣的操作對(duì)象稱為操作數(shù)，對(duì)應(yīng)的尋址方式為操作數(shù)尋址方式；如果地址碼所表示的操作對(duì)象是指令信息，則相應(yīng)的尋址方式為指令尋址方式。5.4.1指令尋址方式指令尋址方式又可分為順序?qū)ぶ贩绞胶吞D(zhuǎn)尋址方式，如圖5-2所示。圖5-2指令的尋址方式

1．順序?qū)ぶ贩绞巾樞驅(qū)ぶ贩绞绞遣捎肞C增量的方式形成下一條指令地址。具體尋址過(guò)程如圖5-2(a)所示，PC稱為程序計(jì)數(shù)器，是用來(lái)跟蹤程序的執(zhí)行并指向下一條將要被執(zhí)行的指令。由于程序在內(nèi)存中是連續(xù)存放的，當(dāng)程序順序執(zhí)行時(shí)，PC的內(nèi)容加上一定的增量，便形成下一條將要被執(zhí)行指令的地址，至于增量是多少，取決于指令所占存儲(chǔ)單元的個(gè)數(shù)。

2．跳轉(zhuǎn)尋址方式跳轉(zhuǎn)尋址方式是指當(dāng)程序發(fā)生轉(zhuǎn)移時(shí)，下一條將要執(zhí)行的指令地址不再是PC的內(nèi)容，而是根據(jù)轉(zhuǎn)移指令字中的地址碼A去形成下一條將要執(zhí)行的指令地址。具體尋址過(guò)程如圖5-2(b)所示，如果是地址碼直接形成PC，記作A→PC，這種跳轉(zhuǎn)尋址方式也稱為絕對(duì)跳轉(zhuǎn)；如果是當(dāng)前PC的內(nèi)容(現(xiàn)行PC加上增量)加上地址碼形成PC，記作(PC)+A→PC，這種跳轉(zhuǎn)尋址方式也稱為相對(duì)跳轉(zhuǎn)。5.4.2操作數(shù)尋址方式操作數(shù)的存放不像指令的存放有規(guī)律，它既可以存放在寄存器、存儲(chǔ)器和外設(shè)中，也可以存放在指令中，因此表示操作數(shù)的地址碼盡管形式上都是二進(jìn)制代碼，但所表示的含義各不相同，有時(shí)代表的是地址，有時(shí)代表的是數(shù)據(jù)，往往比較復(fù)雜，一般討論尋址方式時(shí)，主要是討論操作數(shù)尋址方式。下面以一地址指令為例，介紹幾種最常用的基本尋址方式。一地址指令格式為由于操作數(shù)尋址方式種類較多，所以在指令字中設(shè)置一個(gè)尋址方式MOD字段，用來(lái)指明具體的尋址方式。當(dāng)操作數(shù)存放在存儲(chǔ)器中時(shí)，指令字中的地址碼并不是內(nèi)存的實(shí)際地址，因此我們把它稱為形式地址。形式地址必須轉(zhuǎn)換成內(nèi)存的實(shí)際地址，然后才能訪問(wèn)存儲(chǔ)器。內(nèi)存的實(shí)際地址也稱為有效地址(EA)。所以，EA是A的一個(gè)函數(shù)，記為EA=f(A)。函數(shù)f不同，其尋址方式也不同。

1．立即尋址方式立即尋址方式是指指令字中的地址碼本身就是操作數(shù)，即操作數(shù)是D，D也稱為立即數(shù)，其格式為立即尋址的優(yōu)點(diǎn)：由于從存儲(chǔ)器中取出指令的同時(shí)，操作數(shù)也被取出了，并且操作數(shù)是在指令字中的，因此在執(zhí)行指令時(shí)，不必再次訪問(wèn)存儲(chǔ)器，從而提高了指令的執(zhí)行速度。但由于指令字長(zhǎng)度的限制，D的位數(shù)限制了立即數(shù)的大小。

2．直接尋址方式直接尋址方式是指指令字中的地址碼D(形式地址)就是操作數(shù)的有效地址，即EA=D。如圖5-3所示。直接尋址簡(jiǎn)單直觀，便于硬件實(shí)現(xiàn)。但由于指令字長(zhǎng)度的限制，形式地址D限制了指令的尋址范圍，隨著內(nèi)存容量不斷擴(kuò)大，要想尋址整個(gè)內(nèi)存空間，勢(shì)必造成指令字長(zhǎng)度的增加。另外在編程時(shí)，如果使用了直接尋址指令，一旦操作數(shù)地址發(fā)生變化，就必須修改指令中的D，也給編程帶來(lái)不便。

圖5-3直接尋址方式

3．間接尋址方式間接尋址方式是指指令字中的地址碼D(形式地址)不是操作數(shù)的有效地址，而是操作數(shù)的有效地址的有效地址，即EA?=?(D)，如圖5-4所示。與直接尋址相比，間接尋址比直接尋址靈活，使用較短的地址碼可以訪問(wèn)較大的存儲(chǔ)空間。另外，間接尋址有利于編程，如果使用了間接尋址指令，當(dāng)操作數(shù)地址發(fā)生變化時(shí)，可不必修改指令，只需修改存放有效地址的單元內(nèi)容即可。其缺點(diǎn)是指令的執(zhí)行時(shí)間較長(zhǎng)，因?yàn)樾枰啻卧L問(wèn)存儲(chǔ)器。圖5-4間接尋址方式

4．寄存器直接尋址方式寄存器直接尋址方式也稱寄存器尋址方式，是指指令字中的地址碼R(形式地址)是某一寄存器的編號(hào)，其寄存器的內(nèi)容為指令所需的操作數(shù)，即EA=(R)，如圖5-5所示。由于寄存器尋址方式的操作數(shù)位于寄存器中，采用寄存器尋址方式的指令在被執(zhí)行時(shí)，無(wú)需訪問(wèn)內(nèi)存，從而減少了指令的執(zhí)行時(shí)間；另外，由于內(nèi)部寄存器數(shù)量有限，指令字中的地址碼較短，有效地縮短了指令字長(zhǎng)度。因此，寄存器尋址方式在計(jì)算機(jī)中得到了廣泛的應(yīng)用。

5．寄存器間接尋址方式寄存器間接尋址方式是指指令字中的地址碼A(形式地址)是某一寄存器的編號(hào)，其寄存器的內(nèi)容不是指令所需的操作數(shù)，而是指令所需操作數(shù)的有效地址，即EA=((R))，如圖5-6所示。指令采用寄存器間接尋址方式時(shí)，由于操作數(shù)的有效地址存放在寄存器中，因此該指令在被執(zhí)行時(shí)只訪問(wèn)兩次存儲(chǔ)器，比間接尋址速度快。圖5-6寄存器間接尋址方式

6．變址尋址方式變址尋址方式是指指令字中的地址碼A(形式地址)加上指令中指定的變址寄存器的內(nèi)容形成操作數(shù)的有效地址，即EA=A+(Ri)，如圖5-7所示。指令采用變址尋址方式時(shí)，如果操作數(shù)地址發(fā)生變化時(shí)，可不必修改指令，只需按一定增量修改變址寄存器的內(nèi)容，以方便實(shí)現(xiàn)循環(huán)程序設(shè)計(jì)。圖5-7變址尋址方式

7．基址尋址方式基址尋址方式是指指令字中的地址碼D(形式地址)加上指令中指定的基址寄存器的內(nèi)容形成操作數(shù)的有效地址，即EA=D+(Rb)，基址寄存器通常是專用的寄存器，如圖5-8所示。圖5-8基址尋址方式基址尋址與變址尋址有效地址的形成過(guò)程很相似，但兩者的應(yīng)用有著本質(zhì)的區(qū)別?；穼ぶ肥敲嫦蛳到y(tǒng)的，用于將用戶程序的邏輯地址轉(zhuǎn)換成物理地址，以便實(shí)現(xiàn)程序的再定位，基址寄存器的內(nèi)容通常是由操作系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)置，不允許進(jìn)行增量或減量，并對(duì)用戶是透明的。

8．相對(duì)尋址方式相對(duì)尋址方式是將當(dāng)前PC的內(nèi)容(現(xiàn)行PC加上增量)加上地址碼(形式地址)形成操作數(shù)的有效地址，即EA=(PC)+D→PC，D稱為位移量，是定點(diǎn)整數(shù)的補(bǔ)碼，如圖5-9所示。指令采用相對(duì)尋址方式時(shí)，編程時(shí)不需要用指令的絕對(duì)地址，可以將程序放在內(nèi)存的任何地方。

9．隱含尋址隱含尋址是指指令字中的地址碼是A隱含的。對(duì)于一地址指令而言，指令格式中地址碼A就缺省了，盡管沒(méi)有地址碼，但操作數(shù)是存在的，并規(guī)定為累加器AC。5.5典型的指令系統(tǒng)5.5.1復(fù)雜指令系統(tǒng)

1．指令類型不同機(jī)器的指令系統(tǒng)是各不相同的，CISC的指令系統(tǒng)一般有上百種指令，按照指令的功能對(duì)指令進(jìn)行歸類，一個(gè)較完善的復(fù)雜指令系統(tǒng)應(yīng)該包含以下8種指令類型。

1)數(shù)據(jù)傳送指令數(shù)據(jù)傳送指令主要包括取數(shù)指令、存數(shù)指令、傳送指令、交換指令、對(duì)堆棧操作的指令等，主要用于實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器與寄存器、堆棧之間以及寄存器與寄存器、堆棧之間的數(shù)據(jù)傳送。

2)算術(shù)運(yùn)算指令算術(shù)運(yùn)算指令主要包括二進(jìn)制定點(diǎn)數(shù)的四則運(yùn)算指令、十進(jìn)制數(shù)的四則運(yùn)算指令、浮點(diǎn)數(shù)的四則運(yùn)算指令、算術(shù)移位指令、比較指令、求補(bǔ)和求反指令等，主要用于定點(diǎn)數(shù)和浮點(diǎn)數(shù)的算術(shù)運(yùn)算。

3)邏輯運(yùn)算指令邏輯運(yùn)算指令主要包括邏輯與、邏輯或、邏輯非、邏輯移位等指令，主要用于無(wú)符號(hào)數(shù)的位操作、代碼轉(zhuǎn)換、邏輯判斷。

4)串操作指令串操作指令包括串傳送指令、串比較指令、串搜索指令、串替換指令等，主要用于對(duì)字符串和數(shù)據(jù)串的處理。

5)轉(zhuǎn)移指令轉(zhuǎn)移指令也稱程序控制指令，主要包括無(wú)條件轉(zhuǎn)移指令、條件轉(zhuǎn)移指令、調(diào)用與返回指令、中斷與返回指令等，主要用于控制改變程序的執(zhí)行順序。

6)輸入/輸出指令輸入/輸出指令主要用于控制外設(shè)、檢測(cè)外設(shè)的工作狀態(tài)、實(shí)現(xiàn)對(duì)外設(shè)的數(shù)據(jù)傳送。

7)特權(quán)指令特權(quán)指令是指具有特殊權(quán)限的指令，只用于操作系統(tǒng)，一般不會(huì)直接提供給用戶。

8)其他指令其他指令主要指復(fù)位指令、停機(jī)指令、空操作指令、對(duì)狀態(tài)寄存器的置位和復(fù)位指令。綜上所述，CISC指令系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：

(1)指令系統(tǒng)復(fù)雜龐大，表現(xiàn)為指令條數(shù)較多。

(2)指令格式多樣，表現(xiàn)為指令字長(zhǎng)不固定，尋址方式種類較多。

(3)指令的執(zhí)行時(shí)間差別較大。

(4)大多數(shù)CISC指令系統(tǒng)采用微程序控制器。

2．8086CPU指令格式

8086CPU指令長(zhǎng)度可以是1～6字節(jié)，其指令格式如圖5-10所示。其中B1和B2為基本字節(jié)，B3～B6將根據(jù)不同指令作不同的定義。圖5-108086指令格式

1)?B1字節(jié)各字段定義

(1)?OP：表示指令操作碼。

(2)?D：表示方向。D=1時(shí)，寄存器為目的操作數(shù)；D=0時(shí)，寄存器為源操作數(shù)。

(3)?W：表示字節(jié)或字處理方式。W=0表示字節(jié)處理指令；W=1表示字處理指令。

2)?B2字節(jié)各字段定義

(1)?MOD：表示指令的尋址方式。8086的一條指令中最多可使用兩個(gè)操作數(shù)，它們不能同時(shí)位于存儲(chǔ)器中，最多只能有一個(gè)是存儲(chǔ)器操作數(shù)。MOD?≠?11，為存儲(chǔ)器方式，即有一個(gè)操作數(shù)位于存儲(chǔ)器中；MOD=00，沒(méi)有位移量；MOD=01，只有低8位位移量，需將符號(hào)擴(kuò)展8位，形成16位；MOD=10，有16位位移量；MOD=11，為寄存器方式，兩個(gè)操作數(shù)均為寄存器。

(2)?REG：表示指令中只有一個(gè)操作數(shù)，這個(gè)操作數(shù)為寄存器。

(3)?R/M：R/M受MOD制約。當(dāng)MOD=11(即寄存器方式時(shí))，由此字段給出指令中第二個(gè)操作數(shù)所在的寄存器編碼；當(dāng)MOD?≠?11時(shí)，此字段用來(lái)指出應(yīng)如何計(jì)算指令中使用的存儲(chǔ)器操作數(shù)的有效地址。MOD和R/M字段表示有效地址EA的計(jì)算方法。

3)?B3～B6字節(jié)各字段定義

B3～B6這四個(gè)字節(jié)一般是給出存儲(chǔ)器操作數(shù)地址的位移量(即偏移量)或立即操作數(shù)。位移量可為8位，也可為16位，這由MOD來(lái)決定。8086規(guī)定16位的字位移量的低位字節(jié)存于低地址單元，高位字節(jié)存于高地址單元。若指令中只有8位位移量，那么8086在計(jì)算有效地址時(shí)，自動(dòng)用8位位移量的符號(hào)將其擴(kuò)展成一個(gè)16位的雙字節(jié)數(shù)，以保證有效地址的計(jì)算不產(chǎn)生錯(cuò)誤，實(shí)現(xiàn)正確的尋址。指令中的立即操作數(shù)位于位移量的后面。若B3B4有位移量，立即操作數(shù)就位于B5B6字節(jié)；若指令中無(wú)位移量，立即操作數(shù)就位于B3B4字節(jié)。總之，指令中缺少的項(xiàng)將由后面存在的項(xiàng)頂替，以減少指令的長(zhǎng)度。5.5.2精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)

1．RISC指令系統(tǒng)的特點(diǎn)結(jié)合表5-3所列出的典型RISC指令系統(tǒng)的基本特征，可以看出RISC指令系統(tǒng)有如下特點(diǎn)：

(1)指令條數(shù)少，所選取的指令都是使用頻率較高的簡(jiǎn)單指令；

(2)指令字長(zhǎng)固定，且指令格式種類少；

(3)只有取數(shù)/存數(shù)指令可以訪問(wèn)存儲(chǔ)器，其他指令的操作都在寄存器之間進(jìn)行。表5-3典型RISC指令系統(tǒng)的基本特征

2．SPARC機(jī)指令系統(tǒng)

SPARC機(jī)是RISC指令系統(tǒng)最典型的代表，機(jī)器的字長(zhǎng)為32位，共有75條指令。

1)指令類型和指令格式

(1)?SPARC機(jī)指令類型。①算術(shù)運(yùn)算/邏輯運(yùn)算/移位指令；②取數(shù)(LOAD)/存數(shù)(STORE)指令；③控制轉(zhuǎn)移指令；④讀/寫專用寄存器指令；⑤浮點(diǎn)運(yùn)算指令；⑥協(xié)處理器指令。

(2)?SPARC機(jī)指令格式。

SPARC機(jī)有三種指令格式，如表5-4所示。表5-4SPARC機(jī)指令格式在表5-4中，OP、OP2、OP3為指令操作碼，OPf為浮點(diǎn)指令操作碼。為了增加立即數(shù)和偏移量的長(zhǎng)度，調(diào)用指令CALL、轉(zhuǎn)移指令BRANCH和SETHI指令的操作碼縮短了，其中SETHI指令是將22位的立即數(shù)(imm22)左移10位，送到Rd所指示的寄存器中，然后再執(zhí)行一條加法指令，以補(bǔ)充后面10位數(shù)據(jù)，從而形成32位字長(zhǎng)的數(shù)據(jù)。

Rs1、Rs2為通用寄存器地址，用作源操作數(shù)寄存器地址或地址寄存器地址。

Rd為目的寄存器地址，用來(lái)保存運(yùn)算結(jié)果或從存儲(chǔ)器取來(lái)的數(shù)據(jù)。

Simm13是13位擴(kuò)展符號(hào)的立即數(shù)。運(yùn)算時(shí)如果Simm13最高位是1，則最高位前面的所有位都擴(kuò)展為1；否則，最高位前面的所有位都擴(kuò)展為0。

i是用來(lái)選擇第二個(gè)操作數(shù)的。當(dāng)i=0時(shí)，第二個(gè)操作數(shù)在Rs2中；當(dāng)i=1時(shí)，第二個(gè)操作數(shù)為Simm13。

2)指令功能與尋址方式

(1)算術(shù)邏輯運(yùn)算指令。功能：將Rs1、Rs2的內(nèi)容(或Simm13)按操作碼規(guī)定的操作運(yùn)算后結(jié)果送Rd。當(dāng)i=0時(shí)，(Rs1)OP(Rs2)→Rd；當(dāng)i=1時(shí)，(Rs1)OPSimm13→Rd。

(2)取數(shù)/存數(shù)指令。功能：取數(shù)指令LOAD將存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)送往Rd；存數(shù)指令STORE將Rd中的數(shù)據(jù)送往存儲(chǔ)器。存儲(chǔ)器地址的計(jì)算方法如下(寄存器間接尋址)：當(dāng)i=0時(shí)，存儲(chǔ)器地址=(Rs1)+(Rs2)；當(dāng)i=1時(shí)，存儲(chǔ)器地址=(Rs1)?+Simm13。

(3)控制轉(zhuǎn)移指令。條件轉(zhuǎn)移(BRANCH)指令：由Cond字段決定程序是否轉(zhuǎn)移，用相對(duì)尋址方式形成轉(zhuǎn)移地址。轉(zhuǎn)移并連接(JMPL)指令：將本指令的地址保存在Rd所指示的寄存器中，以備程序返回使用。用寄存器間接尋址形成轉(zhuǎn)移地址。調(diào)用(CALL)指令：采用相對(duì)尋址方式形成轉(zhuǎn)移地址。陷阱(TRAP)指令：采用寄存器間接尋址形成轉(zhuǎn)移地址。

TRAP程序返回(RETT)指令：采用寄存器間接尋址形成轉(zhuǎn)移地址。

(4)讀/寫專用寄存器指令。

SPARC機(jī)有4個(gè)專用寄存器指令，即PSR、Y、WIM和TBR指令。其中，PSR稱為程序狀態(tài)寄存器，其內(nèi)容反映并控制機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)，非常重要，因此，讀/寫PSR指令一般是特權(quán)指令。綜上所述，SPARC機(jī)的指令系統(tǒng)由于采用了RIS技術(shù)，該機(jī)器的指令系統(tǒng)只設(shè)置了75條指令，還有一些指令并沒(méi)有選入指令系統(tǒng)，但很容易用指令系統(tǒng)中的指令去替代實(shí)現(xiàn)。如表5-5所示，其中，表的左邊列出了6條指令，表的右邊給出了替代指令及實(shí)現(xiàn)方法。(SPARC約定R0的內(nèi)容恒為0。)表5-5RISC指令的替代與實(shí)現(xiàn)關(guān)聯(lián)習(xí)題

5.1什么叫指令？什么叫指令系統(tǒng)？指令通常有哪幾種地址格式？

5.2什么叫指令地址？什么叫形式地址？什么叫有效地址？

5.3什么叫尋址方式？有哪些基本的尋址方式？簡(jiǎn)述其尋址過(guò)程。

5.4基址尋址方式和變址尋址方式各有什么不同？

5.5設(shè)某機(jī)指令長(zhǎng)為16位，每個(gè)操作數(shù)的地址碼為6位，指令分為單地址指令、雙地址指令和零地址指令。若雙地址指令為K條，零地址指令為L(zhǎng)條，則最多可有多少條單地址指令？

5.6設(shè)某機(jī)指令長(zhǎng)為16位，每個(gè)地址碼長(zhǎng)為4位，試用擴(kuò)展操作碼方法設(shè)計(jì)指令格式。其中三地址指令有10條，二地址指令有90條，單地址指令有32條，還有若干零地址指令，則零地址指令最多有多少條？

5.7設(shè)某機(jī)字長(zhǎng)為32位，CPU有32個(gè)32位通用寄存器，有8種尋址方式，包括直接尋址、間接尋址、立即尋址、變址尋址等，采用R-S型單字長(zhǎng)指令格式，共有120條指令，試問(wèn)：

(1)該機(jī)直接尋址的最大存儲(chǔ)空間為多少？

(2)若采用間接尋址，則可尋址的最大存儲(chǔ)空間為多少？如果采用變址尋址呢？

(3)若立即數(shù)為帶符號(hào)的補(bǔ)碼整數(shù)，試寫出立即數(shù)范圍。

5.8一種單地址指令格式如下所示，其中I為間接特征，X為尋址模式，D為形式地址。I、X、D組成該指令操作數(shù)的有效地址E。設(shè)R為變址寄存器，R1為基址寄存器，PC為程序計(jì)數(shù)器，請(qǐng)?jiān)谙卤碇械谝涣形恢锰顚戇m當(dāng)?shù)膶ぶ贩绞健?.9簡(jiǎn)述RISC的主要特點(diǎn)。5.10選擇題。(1)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，硬件能夠直接識(shí)別的指令是()。A.機(jī)器指令 B.匯編語(yǔ)言指令C.高級(jí)語(yǔ)言指令 D.特權(quán)指令(2)指令系統(tǒng)中采用不同的尋址方式的主要目的是()。A.增加內(nèi)存的容量B.縮短指令長(zhǎng)度，擴(kuò)大尋址范圍C.提高訪問(wèn)內(nèi)存的速度D.簡(jiǎn)化指令譯碼電路

(3)在相對(duì)尋址方式中，若指令中地址碼為X，則操作