1、計(jì)算機(jī)組成原理(yunl)第20講第7章 指令系統(tǒng)（7.3-7.5）主講人：李淑芝共四十七頁(yè)第七章 指 令 系 統(tǒng)7.1 機(jī)器指令 7.2 操作數(shù)類型和操作類型 7.3 尋址方式 7.4 指令格式舉例 7.5 RISC 技術(shù) 本課學(xué)習(xí)(xux)共四十七頁(yè)教學(xué)(jio xu)目標(biāo)：讓學(xué)生熟悉并掌握數(shù)據(jù)尋址方式，了解一般指令格式的設(shè)計(jì)方法；對(duì)RISC有個(gè)初步的認(rèn)識(shí)，掌握RISC的主要特征和優(yōu)點(diǎn)。重點(diǎn)：各種數(shù)據(jù)尋址方式中數(shù)據(jù)有效地址EA的計(jì)算、設(shè)計(jì)指令格式應(yīng)考慮的各種因素；RISC的主要特征和與CISC比較的優(yōu)點(diǎn)。難點(diǎn)：“混合型”數(shù)據(jù)尋址方式中數(shù)據(jù)有效地址EA的計(jì)算問題。 教學(xué)要求共四十七頁(yè)復(fù)習(xí)(f

2、x)舊課數(shù)據(jù)(shj)存放在存儲(chǔ)器中，系統(tǒng)怎么樣將存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)(shj)取到運(yùn)算器中進(jìn)行定點(diǎn)或浮點(diǎn)運(yùn)算？運(yùn)算結(jié)果又怎樣保存呢？ 共四十七頁(yè)引入新課構(gòu)成程序的指令本質(zhì)上是怎樣的軟件成份？它們?nèi)绾闻c硬件(yn jin)配合？ 共四十七頁(yè)7.3 尋 址 方 式尋址方式(fngsh) 確定 本條(bn tio)指令 的 操作數(shù)地址及下一條 欲執(zhí)行 指令 的 指令地址指令尋址數(shù)據(jù)尋址尋址方式共四十七頁(yè)7.3.1 指令(zhlng)尋址順序(shnx)( PC ) + 1 PC跳躍由轉(zhuǎn)移指令指出LDA 1000ADD 1001DEC 1200JMP 7LDA 2000SUB 2001INCSTA 250

3、0LDA 1100.0123456789PC+1指令地址尋址方式指令地址指令順序?qū)ぶ?順序?qū)ぶ?順序?qū)ぶ?跳躍尋址7順序?qū)ぶ?7.3 尋 址 方 式共四十七頁(yè)7.3.2 數(shù)據(jù)(shj)尋址 形式(xngsh)地址 指令字中的地址 有效地址 操作數(shù)的真實(shí)地址 約定 指令字長(zhǎng) = 存儲(chǔ)字長(zhǎng) = 機(jī)器字長(zhǎng)（1）立即尋址 指令執(zhí)行階段不訪存 A 的位數(shù)限制了立即數(shù)的范圍形式地址 A操作碼尋址特征OP # A立即尋址特征立即數(shù) 可正可負(fù) 補(bǔ)碼形式地址 A 就是操作數(shù)7.3 尋 址 方 式共四十七頁(yè)（2）直接(zhji)尋址EA = A操作數(shù)主存尋址特征(tzhng)LDAAAACC 執(zhí)行階段訪問一次存儲(chǔ)

4、器 A 的位數(shù)決定了該指令操作數(shù)的尋址范圍 操作數(shù)的地址不易修改（必須修改A）有效地址由形式地址直接給出7.3.2 數(shù)據(jù)尋址 7.3 尋 址 方 式共四十七頁(yè)（3）隱含(yn hn)尋址操作數(shù)地址(dzh)隱含在操作碼中ADDA操作數(shù)主存尋址特征AACC暫存ALU另一個(gè)操作數(shù)隱含在 ACC 中如 8086MUL 指令被乘數(shù)隱含在 AX（16位）或 AL（8位）中MOVS 指令源操作數(shù)的地址隱含在 SI 中目的操作數(shù)的地址隱含在 DI 中 指令字中少了一個(gè)地址字段，可縮短指令字長(zhǎng)共四十七頁(yè)（4）間接(jin ji)尋址EA =（A）有效地址由形式地址間接(jin ji)提供OPA尋址特征AEA主

5、存EAA1EA A1主存 EA10 執(zhí)行指令階段 2 次訪存 可擴(kuò)大尋址范圍 便于編制程序OPA尋址特征A一次間址多次間址操作數(shù)操作數(shù)多次訪存共四十七頁(yè) 子程序主程序8081201202轉(zhuǎn) 子程序轉(zhuǎn) 子程序間接(jin ji)尋址編程舉例(A) = 81(A) = 202 間址特征(tzhng)JMP A 共四十七頁(yè)（5）寄存器尋址EA = Ri 執(zhí)行(zhxng)階段不訪存，只訪問寄存器，執(zhí)行(zhxng)速度快OPRi尋址特征(tzhng) 寄存器個(gè)數(shù)有限，可縮短指令字長(zhǎng)操作數(shù)R0RiRn寄存器有效地址即為寄存器編號(hào)共四十七頁(yè)EA = ( Ri )（6）寄存器間接(jin ji)尋址 有效

6、地址(dzh)在寄存器中， 操作數(shù)在存儲(chǔ)器中，執(zhí)行階段訪存操作數(shù)主存OPRi尋址特征 便于編制循環(huán)程序地址R0RiRn寄存器有效地址在寄存器中問題2：間接尋址和寄存器間接尋址有什么異同？共四十七頁(yè)（7）基址(j zh)尋址采用(ciyng)專用寄存器作基址寄存器EA = ( BR ) + ABR 為基址寄存器OPA操作數(shù)主存尋址特征ALUBR 可擴(kuò)大尋址范圍 便于程序搬家 BR 內(nèi)容由操作系統(tǒng)或管理程序確定 在程序的執(zhí)行過程中 BR 內(nèi)容不變，形式地址 A 可變共四十七頁(yè)采用(ciyng)通用寄存器作基址寄存器操作數(shù)主存尋址特征(tzhng)ALUOPR0AR0 作基址寄存器 由用戶指定哪個(gè)通

7、用寄存器作為基址寄存器通用寄存器R0Rn-1R1 基址寄存器的內(nèi)容由操作系統(tǒng)確定 在程序的執(zhí)行過程中 R0 內(nèi)容不變，形式地址 A 可變（7）基址尋址共四十七頁(yè)（8）變址尋址EA = ( IX ) +AOPA操作數(shù)主存尋址特征(tzhng)ALUIX 可擴(kuò)大(kud)尋址范圍 便于處理數(shù)組問題 IX 的內(nèi)容由用戶給定 IX 為變址寄存器（專用） 在程序的執(zhí)行過程中 IX 內(nèi)容可變，形式地址 A 不變通用寄存器也可以作為變址寄存器問題3：基址尋址和變址尋址有什么本質(zhì)區(qū)別？共四十七頁(yè)例 設(shè)數(shù)據(jù)(shj)塊首地址為 D，求 N 個(gè)數(shù)的平均值直接(zhji)尋址變址尋址LDA DADD D + 1AD

8、D D + 2ADD D + ( N -1 )DIV # NSTA ANSLDA # 0LDX # 0INXCPX # NBNE MDIV # NSTA ANS共 N + 2 條指令共 8 條指令A(yù)DD X, DMX 為變址寄存器D 為形式地址(X) 和 #N 比較(X) +1 X結(jié)果不為零則轉(zhuǎn)共四十七頁(yè)（9）相對(duì)(xingdu)尋址 EA = ( PC ) + AA 是相對(duì)于當(dāng)前指令的位移(wiy)量（可正可負(fù)，補(bǔ)碼） A 的位數(shù)決定操作數(shù)的尋址范圍 程序浮動(dòng) 廣泛用于轉(zhuǎn)移指令操作數(shù)尋址特征ALUOPA相對(duì)距離 A1000PC主存1000AOP共四十七頁(yè) 相對(duì)(xingdu)尋址舉例M 隨程

9、序所在存儲(chǔ)空間的位置(wi zhi)不同而不同EA = ( M+3 ) 3 = M 3*LDA # 0LDX # 0ADD X, DINXCPX # NBNE MDIV # NSTA ANSMM+1M+2M+3而指令 BNE 與 指令 ADD X, D 相對(duì)位移量不變 3* 指令 BNE操作數(shù)的有效地址為 3* 相對(duì)尋址特征*共四十七頁(yè)OP位移量2000 H2008 H8JMP * + 8OP06 H2000 H2008 H8設(shè) 當(dāng)前指令(zhlng)地址 PC = 2000H轉(zhuǎn)移后的目的(md)地址為 2008H因?yàn)?取出 JMP * + 8 后 PC = 2002H二字節(jié)指令故 JMP *

10、 + 8 指令 的第二字節(jié)為 2008H - 2002H = 6H按字節(jié)尋址的相對(duì)尋址舉例共四十七頁(yè)例7.2 設(shè)相對(duì)尋址的轉(zhuǎn)移指令占3個(gè)字節(jié)，第一字節(jié)為操作碼，第二、三字節(jié)為相對(duì)位移量（補(bǔ)碼表示），而且數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)器中采用以低字節(jié)地址為字地址的存放方式。每當(dāng)CPU從存儲(chǔ)器取出一個(gè)(y )字節(jié)時(shí)，即自動(dòng)完成（PC）+1-PC。 （1）若PC當(dāng)前值為240（十進(jìn)制），要求轉(zhuǎn)移到290（十進(jìn)制），則轉(zhuǎn)移指令的第二、三字節(jié)的機(jī)器代碼是什么？ （2）若PC當(dāng)前值為240（十進(jìn)制），要求轉(zhuǎn)移到200（十進(jìn)制），則轉(zhuǎn)移指令的第二、三字節(jié)的機(jī)器代碼是什么？解:（1）PC當(dāng)前值為240，該指令取出后PC值為243

11、，要求轉(zhuǎn)移到290，即相對(duì)位移量為290-243=47，轉(zhuǎn)換成補(bǔ)碼為2FH。由于數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)器中采用以低字節(jié)地址(dzh)為字地址(dzh)的存放方式，故該轉(zhuǎn)移指令的第二字節(jié)為2FH，第三字節(jié)為00H。 （2）PC當(dāng)前值為240，該指令取出后PC值為243，要求轉(zhuǎn)移到200，即相對(duì)位移量為200-243=-43，轉(zhuǎn)換成補(bǔ)碼為D5H。由于數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)器中采用以低字節(jié)地址為字地址的存放方式，故該轉(zhuǎn)移指令的第二字節(jié)為D5H，第三字節(jié)為FFH。 共四十七頁(yè)全國(guó)碩士(shush)研究生入學(xué)考試題：某機(jī)器字長(zhǎng)16位，主存按字節(jié)編址，轉(zhuǎn)移指令采用相對(duì)尋址，由兩個(gè)字節(jié)組成，第一字節(jié)為操作碼字段，第二字節(jié)為相對(duì)位移

12、量字段。假定取指令時(shí)，每取一個(gè)字節(jié)PC自動(dòng)加1。若某轉(zhuǎn)移指令所在(suzi)主存地址為2000H，相對(duì)位移量字段的內(nèi)容為06H，則該轉(zhuǎn)移指令成功轉(zhuǎn)以后的目標(biāo)地址是:A.2006H B.2007H C.2008H D.2009H答案：C共四十七頁(yè)（10）堆棧(duzhn)尋址堆棧(duzhn)的特點(diǎn)堆棧硬堆棧軟堆棧多個(gè)寄存器指定的存儲(chǔ)空間先進(jìn)后出（一個(gè)入出口）棧頂?shù)刂?由 SP 指出 11FFFH +12000 H進(jìn)棧 （SP） 1 SP出棧 （SP）+ 1 SP棧頂棧底2000 HSP2000 H1FFF HSP1FFFH棧頂棧底進(jìn)棧出棧 1FFF H棧頂 2000 H棧頂也稱串聯(lián)堆棧也稱存儲(chǔ)

13、器堆棧問題4：存儲(chǔ)器堆棧與硬堆棧比有什么優(yōu)缺點(diǎn)？ 共四十七頁(yè)堆棧(duzhn)尋址舉例15200HACCSPX棧頂200H棧底主存151FFHACCSP15棧頂200H棧底主存X1FFHPUSH A 前PUSH A 后POP A 前POP A 后Y1FFHACCSPX棧頂200H棧底主存151FFH15200HACCSP棧頂200H棧底主存X15共四十七頁(yè)SP 的修改(xigi)與主存編址方法有關(guān) 按 字 編址進(jìn)棧出棧（SP） 1 SP（SP）+ 1 SP 按 字節(jié)(z ji) 編址存儲(chǔ)字長(zhǎng) 16 位進(jìn)棧出棧（SP） 2 SP（SP）+ 2 SP存儲(chǔ)字長(zhǎng) 32 位進(jìn)棧出棧（SP） 4 SP（S

14、P）+ 4 SP共四十七頁(yè)例7.3 一條雙字長(zhǎng)直接尋址的子程序調(diào)用指令，其第一個(gè)字為操作碼和尋址特征，第二個(gè)字為地址碼5000H。假設(shè)PC當(dāng)前值為2000H，SP的內(nèi)容為0100H，棧頂內(nèi)容為2746H，存儲(chǔ)器按字節(jié)編址，而且進(jìn)棧操作是先執(zhí)行（SP）- -SP，后存入數(shù)據(jù)。試回答下列幾種(j zhn)情況下，PC、SP及棧頂內(nèi)容各為多少？ （1）CALL指令被讀取前。 （2）CALL指令被執(zhí)行后。 （3）子程序返回后。解:（1）CALL指令(zhlng)被讀取前，PC=2000H，SP=0100H，棧頂內(nèi)容為2746H。 （2） CALL指令被執(zhí)行后，由于存儲(chǔ)器按字節(jié)編址，CALL指令共占4個(gè)

15、字節(jié)，故程序斷點(diǎn)2004H進(jìn)棧，此時(shí)SP=(SP)-2=00FEH，棧頂內(nèi)容為2004H，PC被更新為子程序入口地址5000H。 （3）子程序返回后，程序斷點(diǎn)出棧，PC=2004H，SP被修改為0100H，棧頂內(nèi)容為2746H。 共四十七頁(yè)7.4 指令(zhlng)格式舉例7.4.1 設(shè)計(jì)指令(zhlng)格式時(shí)應(yīng)考慮的各種因素（1）指令系統(tǒng)的兼容性（向上兼容）（2）其他因素操作類型數(shù)據(jù)類型指令格式包括指令個(gè)數(shù)及操作的難易程度指令字長(zhǎng)、操作碼位數(shù)尋址方式寄存器個(gè)數(shù)地址碼位數(shù)、地址個(gè)數(shù)尋址方式、是否采用擴(kuò)展操作碼確定哪些數(shù)據(jù)類型可參與操作 指令尋址、操作數(shù)尋址 寄存器的多少影響指令的執(zhí)行時(shí)間 共

16、四十七頁(yè)7.4.2 指令格式(g shi)舉例（1）PDP 8指令(zhlng)字長(zhǎng)固定 12 位操作碼 間 頁(yè) 地址碼訪存類指令0235411寄存器類指令 1 1 1 輔助操作碼02311I/O 類指令 1 1 0 設(shè)備 操作碼02311987.4 指令格式舉例共四十七頁(yè)（2）PDP 11源地址OP4 6 6 16 16目的地址存儲(chǔ)器地址1存儲(chǔ)器地址2OP10 6 16目的地址存儲(chǔ)器地址目的地址4 6 6源地址OP 10 6目的地址OP CODE16OP CODE指令(zhlng)字長(zhǎng)有 16 位、32 位、48 位三種零地址(dzh) (16 位)一地址 (16 位)二地址 R R (16

17、 位)二地址 R M (32 位)二地址 M M (48 位)擴(kuò)展操作碼技術(shù)共四十七頁(yè)（3）IBM 360OPR1R2 RR格式8 4 4OPR1XBD RX格式8 4 4 4 12OPR1R3BD RS格式8 4 4 4 12OPBDI SI格式8 8 4 12OPB1D1LB2D2 SS格式8 8 4 12 4 12二地址 R R基址加變址尋址二地址 R M三地址 R M基址尋址二地址 M M基址尋址基址尋址立即數(shù) M共四十七頁(yè)（4）Intel 8086指令(zhlng)字長(zhǎng)地址(dzh)格式1 6 個(gè)字節(jié)MOV WORD PTR0204, 0138H 6 字節(jié)INC AX 1 字節(jié)一地址

18、NOP 1 字節(jié)CALL段內(nèi)調(diào)用 3 字節(jié)零地址 5 字節(jié)段間調(diào)用寄存器 寄存器寄存器 立即數(shù)寄存器 存儲(chǔ)器ADD AX，BX 2 字節(jié)ADD AX，3048H 4 字節(jié)ADD AX，3048H 3 字節(jié)二地址CALL共四十七頁(yè)7.5 RISC 技 術(shù) 7.5.1 RISC 的產(chǎn)生(chnshng)和發(fā)展 80 20 規(guī)律(gul) 典型程序中 80% 的語(yǔ)句僅僅使 用處理機(jī)中 20% 的指令 執(zhí)行頻度高的簡(jiǎn)單指令，因復(fù)雜指令 的存在，執(zhí)行速度無(wú)法提高RISC（Reduced Instruction Set Computer）CISC（Complex Instruction Set Compu

19、ter） RISC技術(shù) 能否用 20% 的簡(jiǎn)單指令組合不常用的 80% 的指令功能？共四十七頁(yè)7.5.2 RISC 的主要(zhyo)特征 選用使用頻率(pnl)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 只有 LOAD / STORE 指令訪存 流水技術(shù) 一個(gè)時(shí)鐘周期 內(nèi)完成一條指令 組合邏輯 實(shí)現(xiàn)控制器 多個(gè) 通用 寄存器 采用 優(yōu)化 的 編譯 程序 7.5 RISC 技 術(shù) 共四十七頁(yè)7.5.3 RISC 和CISC的比較(bjio) 與CISC機(jī)相比，RISC機(jī)的主要優(yōu)點(diǎn)可歸納如下： 充分利用VLSI芯片的面積。 提高(t go)計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度。 便于設(shè)計(jì)，可

20、降低成本，提高可靠性。 有效支持高級(jí)語(yǔ)言程序。 7.5 RISC 技 術(shù) 共四十七頁(yè)7.5.3 RISC 和CISC的比較(bjio) 7.5 RISC 技 術(shù) RISC機(jī)能提高運(yùn)算速度主要反映在以下5個(gè)方面：RISC機(jī)的指令數(shù)、指令格式和尋址方式(fngsh)種類較少，而且指令的編碼很有規(guī)律，因此RISC的指令譯碼比CISC的指令譯碼快。RISC機(jī)內(nèi)通用寄存器多，減少了訪存次數(shù)，可加快運(yùn)行速度。RISC機(jī)采用寄存器窗口重疊技術(shù)。RISC機(jī)采用組合邏輯控制，比采用微程序控制的CISC機(jī)的延遲小，縮短了CPU的周期。RISC機(jī)選用精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)，適合于流水線工作。共四十七頁(yè)課堂(ktng)練習(xí)題：

21、1. 在指令(zhlng)的地址字段中，直接指出操作數(shù)本 身的尋址方式，稱為_。 A. 隱含尋址 B. 立即尋址 C. 寄存器尋址 D. 直接尋址 答案：B 2. 設(shè)變址寄存器為X，形式地址為D，（X） 表示寄存器X的內(nèi)容，這種尋址方式的有 效地址為_。 A. EA=(X)+D B. EA=(X)+(D) C.EA=(X)+D) D. EA=(X)+(D) 答案：A共四十七頁(yè)3. 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（A）MSP， (SP)-1SP。那么(n me)出棧操作的動(dòng)作順序應(yīng) 為_。 A.(MSP)A，(SP)+1S

22、P B.(SP)+1SP，(MSP)A C.(SP-1)SP，(MSP)A D.(MSP)A， （SP）-1SP 答案：B課堂(ktng)練習(xí)題：共四十七頁(yè)4.某機(jī)指令格式如圖所示：圖中X為尋址特征位，且X=0時(shí)，不變址；X=1時(shí)，用變址寄存器X1進(jìn)行變址；X=2時(shí)，用變址寄存器X2進(jìn)行變址；X=3時(shí)，相對(duì)尋址。設(shè)（PC）=1234H，（X1）=0037H, (X2)=1122H，請(qǐng)確定下列(xili)指令的有效地址（均用十六進(jìn)制表示，H表示十六進(jìn)制）(1)4420H (2)2244H (3)1322H (4)3521H (5)6723H答案： （1）0020H （2）1166H （3）125

23、6H （4）0058H （5）1257H 課堂(ktng)練習(xí)題：共四十七頁(yè)5. RISC機(jī)器一定是A._CPU，但后者 不一定是RISC機(jī)器，奔騰機(jī)屬于B._ 機(jī)器。 答案：A.流水 B.CISC 6. 寄存器間接尋址方式中，操作數(shù)處在_。 A.通用寄存器 B.程序計(jì)數(shù)器 C.堆棧(duzhn) D.主存單元 答案：D課堂(ktng)練習(xí)題：共四十七頁(yè)7.指令格式如下所示，其中OP為操作碼，試分析指令格式特點(diǎn)(tdin)：解：（1）操作數(shù)字段OP可以指定64種基本操作（2）單字長(zhǎng)（16位）= 地址指令（3）源寄存器和目標(biāo)寄存器都是通用寄存器（各指定16個(gè)），所以是RR型指令，兩個(gè)操作數(shù)均在通用寄存器中（4）這種指令結(jié)構(gòu)常用于算術(shù)/邏輯運(yùn)算類運(yùn)算指令，執(zhí)行速度最快課堂(ktng)練習(xí)題：共四十七頁(yè)8. 下面描述RISC機(jī)器基本概念中，正確的表 述是_。 A.RISC機(jī)器不一定是流水(lishu)CPU B.RISC機(jī)器一定是流水CPU C.RISC機(jī)器有復(fù)雜的指令系統(tǒng) D.其CPU配備很少的通用寄存器 答案：B9. 堆棧是一種特殊的數(shù)據(jù)尋址方式，它采用 A._原理。按結(jié)構(gòu)不同，分為B._堆棧 和C._堆棧。 答案：A.先進(jìn)后出 B.寄存器 C.存儲(chǔ)器課堂(ktng)練習(xí)題：共四十七頁(yè)10.指令格式如下所示，其中(