第三章

指

令

集

結(jié)

構(gòu)

指令集結(jié)構(gòu)（instructionsetarchitecture）

，即ISA，是微處理器的接口，包含了與該微處理器進(jìn)行交互所需要的信息，但并不涉及微處理器自身如何設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)。

什么是指令集結(jié)構(gòu)？

ISA包括：微處理器的指令集、程序員可直接訪問的寄存器的細(xì)節(jié)、訪問內(nèi)存所需的信息、微處理器如何響應(yīng)中斷。1.程序設(shè)計(jì)語言的級(jí)別2.匯編語言指令3.指令集結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)4.兩種微處理器(相對(duì)簡單CPU和8085微處理器)的指令集結(jié)構(gòu)主要內(nèi)容：3.1程序設(shè)計(jì)語言的級(jí)別

3.1.1語言種類

高級(jí)語言（high-levellanguages）

匯編語言（assemblylanguage）

向下兼容（backwardcompatible）

平臺(tái)無關(guān)（platform-independent）

機(jī)器語言3.1.2編譯和匯編程序1.編譯、匯編2.編譯器

源程序、源代碼、目標(biāo)代碼連接器、裝載器3.編譯過程同一高級(jí)語言源代碼可以經(jīng)過編譯在不同的微處理器和操作系統(tǒng)或者計(jì)算平臺(tái)上運(yùn)行。

圖3.1高級(jí)程序的編譯過程裝載器包含在計(jì)算平臺(tái)中

4.匯編器和匯編過程

圖3.2匯編語言程序的匯編過程每一種匯編語言對(duì)應(yīng)一種微處理器，不需要針對(duì)不同平臺(tái)的匯編器。3.2匯編語言指令3.2.1指令類型3.2.1.1數(shù)據(jù)傳送指令

將數(shù)據(jù)從一個(gè)地方移到另一個(gè)地方（實(shí)際是“拷貝”），包括：內(nèi)存取數(shù)據(jù)到微處理器、微處理器中的數(shù)據(jù)存到內(nèi)存、微處理器內(nèi)移動(dòng)數(shù)據(jù)、輸入數(shù)據(jù)到微處理器、從微處理器輸出數(shù)據(jù)。3.2.1.2數(shù)據(jù)運(yùn)算指令包括算術(shù)運(yùn)算指令、邏輯運(yùn)算指令、移位指令。3.2.1.3程序控制指令控制程序流程的指令，包括：跳轉(zhuǎn)指令（條件或無條件）或分支指令、子程序調(diào)用和子程序返回指令、“軟中斷”指令、停機(jī)指令。3.2.2數(shù)據(jù)類型

數(shù)值數(shù)據(jù)

無符號(hào)整型數(shù)、有符號(hào)整型數(shù)、浮點(diǎn)數(shù)據(jù)

布爾類型

數(shù)據(jù)值常以0表示FALSE，以非0表示TRUE

字符數(shù)據(jù)

字符編碼標(biāo)準(zhǔn)（ASCII、EBCDIC、UNICODE、或別的）3.2.3尋址方式

尋址方式（addressingmodes）：確定操作數(shù)地址的方法。3.2.3.1直接尋址在該尋址方式中，指令包含有要訪問單元的內(nèi)存地址。

例如：LDAC

5

從內(nèi)存單元5讀取數(shù)據(jù)并且把數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在CPU的累加器中。3.2.3.2間接尋址指令中指定的是含有操作數(shù)地址的內(nèi)存單元的地址。

OP…5IR10操作數(shù)35操作數(shù)的地址105…例如：LDAC@5或LDAC（5）要進(jìn)行兩次內(nèi)存訪問。例如：假設(shè)寄存器R中存儲(chǔ)了數(shù)值5，則：

LDAC

R；把數(shù)值5從寄存器R中拷貝到CPU的累加器中

LDAC(R)或LDAC@R；相當(dāng)于LDAC

5，從寄存器R中獲取地址3.2.3.4立即值尋址指定的操作數(shù)不是一個(gè)地址，而是確實(shí)要用到的數(shù)據(jù)。例如：LDAC

#5；把數(shù)據(jù)值5移到累加器中3.2.3.3寄存器直接尋址和寄存器間接尋址

與直接和間接尋址方式相似，但指定的寄存器，而不是內(nèi)存單元。3.2.3.5隱含尋址并不明確地指出操作數(shù)，因?yàn)榭偸怯玫教囟ǖ募拇嫫鳌＠纾?/p>

CLAC；清空CPU中的累加器，即將其值置為0常用于用堆棧存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的CPU中。指令中不需要指定操作數(shù)，因?yàn)樗凳静僮鲾?shù)一定來自堆棧。

3.2.3.6相對(duì)尋址該方式中，操作數(shù)不直接提供地址，而是提供一個(gè)偏移量。它與CPU中程序計(jì)數(shù)器的內(nèi)容相加生成所需的地址。

程序計(jì)數(shù)器存有當(dāng)前正在執(zhí)行指令的地址。例如：LDAC

$5

；若該指令定位于內(nèi)存單元10，且它占用兩個(gè)內(nèi)存單元，

；則下一條指令會(huì)位于單元12，指令從單元（12＋5＝17）

；讀取17號(hào)單元中的數(shù)據(jù)并且把它存于累加器中。該尋址方式對(duì)于短跳轉(zhuǎn)和可重定位代碼很有用。

3.2.3.7變址尋址方式和基址尋址

變址尋址方式與相對(duì)尋址方式類似，但它是將指令提供的地址與變址寄存器中而不是程序計(jì)數(shù)器中的內(nèi)容相加。

例如：

LDAC5(X)

；變址寄存器X：數(shù)值10，則5＋10＝15

；讀取15號(hào)單元中的數(shù)據(jù)并且把它存儲(chǔ)在累加器中。

除了用基址寄存器替換變址寄存器外，基址尋址方式和變址尋址方式完全一樣。

3.2.4指令格式

指令代碼（instructioncode）：匯編語言指令轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的機(jī)器代碼，以二進(jìn)制數(shù)值的形式表現(xiàn)。

操作碼地址碼指令的基本格式為：

考慮一個(gè)簡單的例子：A＝B＋C一個(gè)操作：加法三個(gè)操作數(shù)：兩個(gè)源操作數(shù)——B、C一個(gè)目的操作數(shù)——A假定微處理器可以執(zhí)行16種不同的操作。需要4位來代表其中的操作（因?yàn)?4＝16）（假設(shè)位模式1010→加法）假定僅有4種可能的操作數(shù)——A，B，C和D。用兩位來表示每一種操作數(shù)：

00→A，01→B，10→C，11→D圖3.4采用(a)三操作數(shù)，(b)二操作數(shù)，(c)單操作數(shù)，(d)0操作數(shù)的指令格式和計(jì)算A＝B＋C的匯編語言程序以及機(jī)器代碼。

微處理器可以設(shè)計(jì)成能運(yùn)行具有3、2、1或0個(gè)操作數(shù)的指令。

查看圖3.4的代碼，我們能發(fā)現(xiàn)較少的操作數(shù)通常轉(zhuǎn)化為較多的指令來完成同樣的任務(wù)。本例子簡單地說明了三，二，一和零操作數(shù)指令的不同。實(shí)際上，這些指令需要比本例更多的位數(shù)。一個(gè)操作數(shù)字段可以指定一個(gè)任意的內(nèi)存地址，而不只是四個(gè)寄存器中的一個(gè)。每個(gè)操作數(shù)可能需要16、32甚至更多的位數(shù)。另外還需要一些位用于指定每個(gè)操作數(shù)的尋址方式。

3.3指令集結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

完整性問題：該指令集是否有足夠的指令可以讓程序完成它必須的任務(wù)？

正交性問題：如果指令不重疊或者不執(zhí)行同樣的操作，那么它們就是正交的。在最小的指令集中為程序員提供必需的操作。

設(shè)計(jì)者可以優(yōu)化ISA的另一個(gè)地方就是寄存器組。本小節(jié)：分析設(shè)計(jì)一套指令集結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)考慮哪些問題？要考慮的其它問題：。處理器必須向下兼容其它的微處理器嗎？。微處理器將處理何種類型和大小的數(shù)據(jù)？

。需要中斷嗎？。需要條件指令嗎？3.4相對(duì)簡單的指令集結(jié)構(gòu)存儲(chǔ)器模型:該微處理器可以訪問64K（＝216）字節(jié)的存儲(chǔ)器（每字節(jié)8位）或者64K×8的存儲(chǔ)器。從外部設(shè)備輸入數(shù)據(jù)和輸出數(shù)據(jù)到外部設(shè)備，都可以被看作是訪問內(nèi)存。有三個(gè)寄存器：累加器（AC）、寄存器R、1位零標(biāo)志Z。包含16條指令，每一條都是8位指令碼，見表3.1

表3.1相對(duì)簡單CPU的指令集LDAC、STAC、JUMP、JMPZ和JPNZ指令都需要16位的存儲(chǔ)地址。這些指令在存儲(chǔ)器中每個(gè)都需要3字節(jié)。第一個(gè)字節(jié)包含指令的操作碼，另外兩字節(jié)對(duì)應(yīng)地址。

3字節(jié)格式1字節(jié)格式

相對(duì)簡單CPU的指令格式。例如：25：JUMP1234H該指令以如下形式存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器中：

25：00000101（JUMP）26：00110100（34H）27：00010010（12H）注意：第二字節(jié)低8位，第三字節(jié)高8位指令集結(jié)構(gòu)的用法舉例：用相對(duì)簡單CPU編程計(jì)算1＋2＋……＋n，或者。

則其高級(jí)語言的代碼片斷如下：可以把數(shù)值n存儲(chǔ)在標(biāo)明為n的存儲(chǔ)單元中，結(jié)果存在標(biāo)明為total的內(nèi)存單元處，內(nèi)存單元i用于存儲(chǔ)求和的次數(shù)。確定運(yùn)算步驟如下：

total＝0；FORi＝1TOnDO{total＝total＋i}；1：total＝0，i＝02：i＝i＋13：total＝total＋i4：IFi≠nTHENGOTO2實(shí)現(xiàn)這一算法的相對(duì)簡單CPU的代碼如下：CLACSTACtotalSTACiLoop:LDACiINACSTACiMVACLDACtotalADDSTACtotalMVACLDACnSUBJPNZLooptotal＝0，i＝0i＝i＋1total＝total＋iIFi≠nTHENGOTOLoop下表顯示了當(dāng)n＝5時(shí)代碼的運(yùn)行過程：表3.2循環(huán)求和程序的執(zhí)行步驟

怎樣看待這個(gè)指令集結(jié)構(gòu)？它滿足了以教學(xué)為目的的設(shè)計(jì)目標(biāo)。當(dāng)我們?cè)诘?和7章中設(shè)計(jì)這種CPU時(shí)我們就會(huì)看到，其復(fù)雜度足以闡明很多CPU的設(shè)計(jì)原則，卻又沒有掉進(jìn)自身復(fù)雜度的陷阱中。對(duì)于簡單的應(yīng)用程序來說，指令集完整。如果一個(gè)應(yīng)用程序需要使用浮點(diǎn)型數(shù)據(jù)，它就不是十分完整。對(duì)于通用計(jì)算機(jī)（例如個(gè)人計(jì)算機(jī)），該指令集顯然是不夠的。該指令集是相當(dāng)正交的。只是多了OR指令，但有時(shí)CPU的指令集不是完全正交更好一些。

寄存器組是它最大的弱點(diǎn)。寄存器的缺乏導(dǎo)致執(zhí)行任務(wù)較慢，并且降低了性能。3.5實(shí)例：8085微處理器指令集結(jié)構(gòu)3.5.18085微處理器的寄存器組通用數(shù)據(jù)寄存器：

累加寄存器A-總是接收一個(gè)8位的算術(shù)或邏輯指令的結(jié)果；也為所有采用二操作數(shù)的指令提供一個(gè)操作數(shù)。

六個(gè)通用寄存器-命名為B，C，D，E，H和L，可成對(duì)訪問：B和C，D和E，H和L。寄存器對(duì)HL常用來指向內(nèi)存單元。

16位的堆棧指針寄存器SP：包含堆棧頂部的地址。

5個(gè)標(biāo)志，共同稱為標(biāo)志寄存器：●符號(hào)標(biāo)志S：表明算術(shù)或邏輯指令計(jì)算出的結(jié)果的符號(hào)。其中，值1表示負(fù)數(shù)；值0表示正數(shù)（或零）?！窳銟?biāo)志Z：如果算術(shù)或邏輯運(yùn)算指令產(chǎn)生的結(jié)果為0，則將Z置為1；否則Z為0?！衿媾紭?biāo)志P：如果算術(shù)或邏輯運(yùn)算結(jié)果中有偶數(shù)個(gè)1，則將P置為1；否則P為0?！襁M(jìn)位標(biāo)志CY：當(dāng)算術(shù)運(yùn)算產(chǎn)生進(jìn)位時(shí)才去設(shè)置它。

例如，加法11110000＋10000000＝101110000，對(duì)兩個(gè)8位值相加但產(chǎn)生了9位結(jié)果。最左邊的1被存儲(chǔ)在CY中；如果加法不產(chǎn)生進(jìn)位1，則CY中會(huì)存儲(chǔ)0?！褫o助進(jìn)位標(biāo)志AC：與進(jìn)位標(biāo)志類似。它不指明進(jìn)位值，但指出從結(jié)果的低四位向高四位傳遞了進(jìn)位。例如，加法00001111＋00001000＝00010111中斷標(biāo)志寄存器IM：用于允許和禁止中斷而且檢查待處理的中斷。程序員可以讀取并且設(shè)置該寄存器中的值來處理中斷。

3.5.28085微處理器指令集8085指令集總共包含了74條指令。可分為三個(gè)部分：數(shù)據(jù)傳送指令、數(shù)據(jù)運(yùn)算指令和程序控制指令。采用如下記號(hào)描述：●

r，r1，r2：表示任何一個(gè)8位寄存器A，B，C，D，E，H，或者L。

●

M：表示內(nèi)存單元。M[HL]表明該內(nèi)存單元的地址存在寄存器對(duì)HL中。

●

rp：表示寄存器對(duì)BC，DE，HL，或者堆棧指針SP。

●

Г：一個(gè)16位地址或者數(shù)據(jù)。●

n：是一個(gè)存儲(chǔ)在內(nèi)存中且緊跟操作碼后的8位地址或者數(shù)據(jù)值。●

cond：條件指令的一個(gè)條件。值為：NZ、Z、P、N、PO、PE、NC、C。除了POPPSW指令外，其它指令都不會(huì)修改標(biāo)志的值。

（PSW：處理器狀態(tài)字（保存累加器和標(biāo)志器中的內(nèi)容))表3.38085微處理器的數(shù)據(jù)傳送指令

（立即尋址）(直接尋址)

指令的通用格式。一些指令有指定寄存器的字段，而另一些指令這些部分卻是固定的。

圖3.68085的指令格式一字節(jié)二字節(jié)三字節(jié)數(shù)據(jù)運(yùn)算指令大多數(shù)會(huì)影響表中的標(biāo)志。

表3.48085微處理器的數(shù)據(jù)運(yùn)算指令

13條程序控制指令。DI，EI，RIM和SIM包含在此因?yàn)樗鼈兛梢蕴幚碇袛?，而中斷最終又會(huì)影響程序控制。這些指令都不修改標(biāo)志。

表3.58085微處理器的程序控制指令

3.5.3一個(gè)簡單的8085程序計(jì)算和1＋2＋……＋n，并且把結(jié)果存儲(chǔ)于內(nèi)存單元total中。n值最初存于標(biāo)志為n的內(nèi)存單元中。

當(dāng)設(shè)計(jì)此程序時(shí)，我們計(jì)算如n＋（n－1）＋……＋1形式的總和。

算法如下：與相對(duì)簡單CPU中的程序不同，8085程序把它的運(yùn)行值存儲(chǔ)在CPU寄存器中。寄存器B包含數(shù)值i，總和存儲(chǔ)在寄存器A中。1:i＝n，sum＝02：sum＝sum＋i，i＝i－13：IFi≠0THENGOTO24：total＝sum執(zhí)行該算法的8085代碼如下：LDAnMOVB,AXRAA｝sum＝A?A＝0Loop:ADDB｝sum＝sum＋iDCRB｝i＝i－1JNZLoop｝IFi≠0THENGOTOLoopSTAtotal｝total＝sumi＝n運(yùn)行值存儲(chǔ)在CPU寄存器，減少了內(nèi)存訪問次數(shù)，程序更短、運(yùn)行速度更快