1、計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)專業(yè),計(jì)算機(jī)組成原理 武漢科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,第四章指令系統(tǒng),本章內(nèi)容 4.1 指令系統(tǒng)的發(fā)展和性能要求 4.2 指令格式 4.3 操作數(shù)類型 4.4 指令和數(shù)據(jù)的尋址方式 4.5 典型指令,4.1.1指令系統(tǒng)的發(fā)展 計(jì)算機(jī)的程序：是解決某一實(shí)際問題的指令序列； 指令：就是要計(jì)算機(jī)執(zhí)行某種操作的命令。,4.1 指令系統(tǒng)的發(fā)展和性能要求,3. 指令系統(tǒng)：一臺(tái)計(jì)算機(jī)中所有機(jī)器指令的集合，它是表征一臺(tái)計(jì)算機(jī)性能的重要因素，其格式與功能不僅直接影響到機(jī)器的硬件結(jié)構(gòu)也直接影響到系統(tǒng)軟件，影響到機(jī)器的適用范圍。,(1) 微指令：微程序級(jí)的命令，它屬于硬件；,(3) 宏指令：由若

2、干條機(jī)器指令和偽指令構(gòu)成的有效序列，它屬于軟件；,(2) 機(jī)器指令（指令）：介于微指令與宏指令之間，每條指令可完成一個(gè)獨(dú)立的算術(shù)運(yùn)算或邏輯運(yùn)算。,從層次結(jié)構(gòu)的觀點(diǎn)看指令，可分三類：,4. 指令系統(tǒng)的發(fā)展 50年代：指令系統(tǒng)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：增加了乘除運(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。 60年代后期開始出現(xiàn)系列計(jì)算機(jī) 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)。 系列計(jì)算機(jī)必要條件是同一系列的各機(jī)種有共同的指令集。而且新推出的機(jī)種指令系統(tǒng)一定包含所有舊機(jī)種的全部指令，

3、即實(shí)現(xiàn)一個(gè)“向上兼容”。因此舊機(jī)種上運(yùn)行的各種軟件可以不加任何修改便可在新機(jī)種上運(yùn)行，大大減少了軟件開發(fā)費(fèi)用。系列機(jī)解決了各機(jī)種的軟件兼容問題 。,發(fā)展情況,復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱CISC。但是如此龐大的指令系統(tǒng)不但使計(jì)算機(jī)的研制周期變長(zhǎng)，難以保證正確性，不易調(diào)試維護(hù)，而且由于采用了大量使用頻率很低的復(fù)雜指令而造成硬件資源浪費(fèi)。 精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)：簡(jiǎn)稱RISC，人們又提出了便于VLSI技術(shù)實(shí)現(xiàn)的精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)。 為什么會(huì)出現(xiàn)CISC到RISC的轉(zhuǎn)變 2/8規(guī)則 控制器設(shè)計(jì)難度下降,一個(gè)完善的指令系統(tǒng)應(yīng)滿足如下四方面的要求： 1. 完備性用匯編語(yǔ)言編程時(shí)指令足夠使用，而不必用軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4、完備性要求指令系統(tǒng)豐富、功能齊全、使用方便。 有效性程序占據(jù)存儲(chǔ)空間小、執(zhí)行速度快。 規(guī)整性指令系統(tǒng)的對(duì)稱性、勻齊性、指令格式和數(shù)據(jù)格式的一致性。 對(duì)稱性：指令系統(tǒng)中所有的寄存器和存儲(chǔ)器單元都可同等對(duì)待，所有的指令都可使用各種尋址方式； 勻齊性：一種操作性質(zhì)的指令可以支持各種數(shù)據(jù)類型； 指令格式和數(shù)據(jù)格式的一致性：指令長(zhǎng)度和數(shù)據(jù)長(zhǎng)度有一定的關(guān)系，以方便處理和存取。 4. 兼容性系列做到“向上兼容”，即低檔機(jī)上運(yùn)行的軟件可以在高檔機(jī)上運(yùn)行。,4.1.2對(duì)指令系統(tǒng)性能的要求,計(jì)算機(jī)語(yǔ)言具有高級(jí)語(yǔ)言和低級(jí)語(yǔ)言之分。 高級(jí)語(yǔ)言如C，F(xiàn)ORTRAN等，其語(yǔ)句和用法與具體機(jī)器的指令系統(tǒng)無(wú)關(guān)。 低級(jí)語(yǔ)言分機(jī)

5、器語(yǔ)言（二進(jìn)制語(yǔ)言）和匯編語(yǔ)言（符號(hào)語(yǔ)言），這兩種語(yǔ)言都是面向機(jī)器的語(yǔ)言，和具體機(jī)器的指令系統(tǒng)密切相關(guān)。機(jī)器語(yǔ)言用指令代碼編寫程序，而符號(hào)語(yǔ)言用指令助記符來(lái)編寫程序。 高級(jí)語(yǔ)言與低級(jí)語(yǔ)言的性能比較： 高級(jí)語(yǔ)言的語(yǔ)句和用法與具體機(jī)器的指令系統(tǒng)無(wú)關(guān)； 低級(jí)語(yǔ)言分機(jī)器語(yǔ)言和匯編語(yǔ)言，他們和具體機(jī)器的指令系統(tǒng)密切相關(guān)。 機(jī)器語(yǔ)言直接識(shí)別和執(zhí)行的唯一語(yǔ)言。 匯編語(yǔ)言與硬件的關(guān)系密切，編寫的程序緊湊、占內(nèi)存小、速度快，特別適合與編寫經(jīng)常與硬件打交道的系統(tǒng)軟件。 高級(jí)語(yǔ)言不涉及機(jī)器的硬件結(jié)構(gòu)，通用性強(qiáng)、編寫程序容易，特別適合與編寫與硬件沒有直接關(guān)系的應(yīng)用軟件。,4.1.3低級(jí)語(yǔ)言與硬件結(jié)構(gòu)的關(guān)系,高級(jí)語(yǔ)言與

6、低級(jí)語(yǔ)言的比較,4.2 指令格式,指令字（簡(jiǎn)稱指令）即表示一條指令的機(jī)器字。 指令格式則是指令字用二進(jìn)制代碼表示的結(jié)構(gòu)形式，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； 操作碼字段的位數(shù)取決于指令系統(tǒng)的規(guī)模，有固定位數(shù)和可變位數(shù)； 若操作碼字段的位數(shù)固定為n位，則指令系統(tǒng)最多可表示2n條指令。,4.2.1操作碼,地址碼字段通常指定參與操作的操作數(shù)的地址或操作數(shù)本身。 根據(jù)一條指令中有幾個(gè)操作數(shù)地址，可將該指令稱為幾操作數(shù)指令或幾地址指令。 一般的操作數(shù)有被操作數(shù)、操作數(shù)及操作結(jié)果這三種數(shù)，因而就形成了三地址指令格式。在此基礎(chǔ)上，后來(lái)又發(fā)展成二地址格式、一地址格式和零地址

7、格式,4.2.2地址碼,注意 (1)零地址指令的指令字中只有操作碼，而沒有地址碼。 這種指令有兩種情況： 一是該指令不需要操作數(shù)，如空操作指令NOP； 二是該指令隱含一個(gè)操作數(shù)位于累加器AC中。如十進(jìn)制修正指令DAA。 (2)一地址指令常稱為單操作數(shù)指令。 這種指令也有兩種情況： 一是指令本身只需要一個(gè)操作數(shù)，如求反指令NOT； 二是雖然需要兩個(gè)操作數(shù)，但指令以運(yùn)算器中累加寄存器AC中的數(shù)據(jù)為被操作數(shù)，指令字的地址碼字段所指明的數(shù)為操作數(shù)，操作結(jié)果又放回累加寄存器AC中。 (AC)OP(A)AC OP表示操作性質(zhì)；（AC）表示累加寄存器AC中的數(shù)；（A）表示內(nèi)存中地址為A的存儲(chǔ)單元中的數(shù)或運(yùn)算

8、器中地址為A的通用寄存器中的數(shù)； 表示把操作（運(yùn)算）結(jié)果傳送到指定的地方。,(3)二地址指令常稱為雙操作數(shù)指令，它的兩個(gè)地址碼字段分別指明參與操作的兩個(gè)數(shù)在內(nèi)存中或運(yùn)算器中通用寄存器的地址，A1作存放操作結(jié)果的地址。 (A1)OP(A2) A1 (4)三地址指令字中有三個(gè)操作數(shù)地址。 (A1)OP(A2) A3 A1為被操作數(shù)地址，也稱源操作數(shù)地址； A2為操作數(shù)地址，也稱終點(diǎn)操作數(shù)地址； A3為存放結(jié)果的地址。 同樣，A1，A2，A3可以是內(nèi)存中的單元地址，也可以是運(yùn)算器中通用寄存器的地址。 二地址指令格式按操作數(shù)的物理位置又分三種。 存儲(chǔ)器-存儲(chǔ)器（SS）型指令 寄存器-寄存器（RR）型指

9、令： 寄存器-存儲(chǔ)器（RS）型指令：,指令字長(zhǎng)度：一個(gè)指令字中包含二進(jìn)制代碼的位數(shù)。有等長(zhǎng)和變長(zhǎng)兩種。 等長(zhǎng)指令的處理結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，在對(duì)于操作碼字段位數(shù)可變的情況下，利用地址碼的個(gè)數(shù)不同，可將操作碼向地址碼部分延伸，從而增加指令條數(shù)。 機(jī)器字長(zhǎng)：計(jì)算機(jī)能直接處理的二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位數(shù)，它決定了計(jì)算機(jī)的運(yùn)算精度。,4.2.3指令字長(zhǎng)度,其中: L為指令字長(zhǎng)度， N為機(jī)器字長(zhǎng)度,使用多字長(zhǎng)指令，目的在于提供足夠的地址位來(lái)解決訪問內(nèi)存任何單元的尋址問題。其主要缺點(diǎn)是必須兩次或多次訪問內(nèi)存以取出一整條指令，降低了CPU的運(yùn)算速度，又占用了更多的存儲(chǔ)空間。 等長(zhǎng)指令字結(jié)構(gòu):各種指令字長(zhǎng)度是相等的。這種指令字結(jié)構(gòu)

10、簡(jiǎn)單，且指令字長(zhǎng)度是不變的。 變長(zhǎng)指令字結(jié)構(gòu):各種指令字長(zhǎng)度隨指令功能而異。結(jié)構(gòu)靈活，能充分利用指令長(zhǎng)度，但指令的控制較復(fù)雜。,由于硬件只能識(shí)別1和0，所以采用二進(jìn)制操作碼是必要的，但是我們用二進(jìn)制來(lái)書寫程序卻非常麻煩。 為了便于書寫和閱讀程序，每條指令通常用2個(gè)或4個(gè)英文縮寫字母來(lái)表示。這種縮寫碼叫做指令助記符。 表4.2典型的指令助記符,4.2.4指令助記符,注意：在不同的計(jì)算機(jī)中，指令助記符的規(guī)定是不一樣的。因此，指令助記符還必須轉(zhuǎn)換成與它們相對(duì)應(yīng)的二進(jìn)制碼。這種轉(zhuǎn)換借助匯編程序可以自動(dòng)完成，匯編程序相當(dāng)于一個(gè)“翻譯”。,1.八位微型計(jì)算機(jī)的指令格式 8位微型機(jī)字長(zhǎng)只有8位，指令結(jié)構(gòu)是一

11、種可變字長(zhǎng)形式，包含單字長(zhǎng)、雙字長(zhǎng)、三字長(zhǎng)指令等多種。,單字長(zhǎng)指令,雙字長(zhǎng)指令,三字長(zhǎng)指令,內(nèi)存按字節(jié)編址，所以單字長(zhǎng)指令每執(zhí)行一條指令后，指令地址加。雙字長(zhǎng)指令或三字長(zhǎng)指令每執(zhí)行一條指令時(shí)，指令地址要加2或加3，可見多字長(zhǎng)的指令格式不利于提高機(jī)器速度。,4.2.5指令格式舉例,2.PDP/11系列機(jī)指令格式 PDP/11系列機(jī)指令字長(zhǎng)16位，其指令格式如下表所示。 表4.3 PDP/11系列機(jī)指令格式,從表中看出，在PDP/11中，操作碼字段是不固定的，其長(zhǎng)度也是不相同的。這樣做可以擴(kuò)展操作碼以包含較多的指令。但是操作碼字段不固定，對(duì)控制器的設(shè)計(jì)來(lái)說必將復(fù)雜化。,3.pentium指令格式

12、pentium機(jī)的指令字長(zhǎng)度是可變的：從字節(jié)到12字節(jié)，還可以帶前綴，指令格式如下所示。 0或10或10或10或1(字節(jié)數(shù)),1或2 0或1 0或1 0,1,2,4 0,1,2,4(字節(jié)數(shù)),2位3位 3位 2位 3位3位,這種非固定長(zhǎng)度的指令格式是典型的CICS結(jié)構(gòu)特征。一是為了與它的前身80486保持兼容，二是希望能給編譯程序?qū)懽髡咭愿囔`活的編程支持。 指令的前綴是可選項(xiàng)，其作用是對(duì)其后的指令本身進(jìn)行顯示約定。每個(gè)前綴占個(gè)字節(jié)。,指令前綴 包括LOCK（鎖定）前綴和重復(fù)前綴。LOCK前綴用于多CPU環(huán)境中對(duì)共享存儲(chǔ)器的排他性訪問。重復(fù)前綴用于字符串的重復(fù)操作，以獲得比軟件循環(huán)方法更快的速

13、度。 段取代前綴 根據(jù)指令的定義和程序的上下文，一條指令所使用的段寄存器名稱可以不出現(xiàn)在指令格式中，這稱為段缺省規(guī)則。當(dāng)要求一條指令不按缺省規(guī)則使用某個(gè)段寄存器時(shí)，必須以段取代前綴明確指明此段寄存器。 操作數(shù)長(zhǎng)度取代前綴和地址長(zhǎng)度取代前綴 在實(shí)地址模式下，操作數(shù)和地址的默認(rèn)長(zhǎng)度是16位；在保護(hù)模式下，若D1，操作數(shù)和地址的默認(rèn)長(zhǎng)度是32位，若D0，二者的默認(rèn)長(zhǎng)度是16位。 指令本身由操作碼字段、Mod-R/M字段、SIB字段、位移量字段、立即數(shù)字段組成。除操作碼字段外，其他四個(gè)字段都是可選字段。 Mod-R/M字段：規(guī)定了存儲(chǔ)器操作數(shù)的尋址方式，給出了寄存器操作數(shù)的寄存器地址號(hào)。 SIB字段：

14、和Mod-R/M字段一起，對(duì)操作數(shù)來(lái)源進(jìn)行完整的說明。,例1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)。 15 9 8 7 4 3 0,解： (1)單字長(zhǎng)二地址指令。 (2)操作碼字段OP可以指定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。 (4)這種指令結(jié)構(gòu)常用于算術(shù)邏輯運(yùn)算類指令。,例2 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64種操作。 (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

15、（由變址寄存器和位移量決定）所以是RS型指令。,15 10 9 8 7 4 3 0,4.3 操作數(shù)類型以奔騰機(jī)為例,操作數(shù)類型 地址數(shù)據(jù):可看成無(wú)符號(hào)數(shù) 數(shù)值數(shù)據(jù):三種類型：定點(diǎn)數(shù)、浮點(diǎn)數(shù)、壓縮BCD 字符數(shù)據(jù):文本數(shù)據(jù)或字符串，目前廣泛使用ASCII碼。 邏輯數(shù)據(jù):一個(gè)單元中有幾位二進(jìn)制bit項(xiàng)組成，每個(gè)bit的值可以是1或0。當(dāng)數(shù)據(jù)以這種方式看待時(shí)，稱為邏輯性數(shù)據(jù)。 Pentium數(shù)據(jù)類型(見P111表4.4) 常規(guī)：字節(jié)、字、雙字、四字 整數(shù)：字節(jié)，字，雙字、四字中的有符號(hào)數(shù)二進(jìn)制補(bǔ)碼表示數(shù) 序數(shù)：字節(jié)，字，雙字、四字中的無(wú)符號(hào)整數(shù) BCD：壓縮BCD（0099）、未壓縮BCD（09）

16、近指針：段內(nèi)偏移的32位有效地址，用于不分段存儲(chǔ)器中所有指針和分段中的段內(nèi)訪問地址。 位串：連續(xù)的位序列，位串最長(zhǎng)可有2321 字符串：連續(xù)字節(jié)、字或雙字等 浮點(diǎn)數(shù)：?jiǎn)尉?32位）、雙精度(64位） 、長(zhǎng)雙精度(80位）,4.4 指令和數(shù)據(jù)的尋址方式,操作數(shù)或指令在存儲(chǔ)器中的地址：某個(gè)操作數(shù)或某條指令存放在某個(gè)存儲(chǔ)單元時(shí)其存儲(chǔ)單元的編號(hào)。 在存儲(chǔ)器中，操作數(shù)或指令字寫入或讀出的方式，有地址指定方式、相聯(lián)存儲(chǔ)方式和堆棧存取方式。 當(dāng)采用地址指定方式時(shí)，形成操作數(shù)或指令地址的方式，稱為尋址方式。 尋址方式分為兩類，即指令尋址方式和數(shù)據(jù)尋址方式，前者比較簡(jiǎn)單，后者比較復(fù)雜。 4.3.1指令的尋址方

17、式 指令的尋址方式有兩種：一種是順序?qū)ぶ贩绞剑?另一種是跳躍尋址方式。,順序?qū)ぶ贩绞?（PC）1PC,指令地址在內(nèi)存中按順序安排，當(dāng)執(zhí)行一段程序時(shí)，通常是一條指令接一條指令的順序執(zhí)行。 從存儲(chǔ)器取出第一條指令，然后執(zhí)行這條指令；接著從存儲(chǔ)器取出第二條指令，在執(zhí)行第二條指令；接著再取出第三條指令這種程序順序執(zhí)行的過程，我們稱為指令的順序?qū)ぶ贩绞健?為此，必須使用程序計(jì)數(shù)器（又稱指令指針寄存器）PC來(lái)計(jì)數(shù)指令的順序號(hào)，該順序號(hào)就是指令在內(nèi)存中的地址。,2.跳躍尋址方式 目標(biāo)地址PC,當(dāng)程序轉(zhuǎn)移執(zhí)行的順序時(shí)，指令的尋址就采取跳躍尋址方式。 跳躍是指下條指令的地址碼不是由程序計(jì)數(shù)器給出，而是由本條指令

18、給出。 程序跳躍后，按新的指令地址開始順序執(zhí)行。指令計(jì)數(shù)器的內(nèi)容也必須相應(yīng)改變，以便及時(shí)跟蹤新的指令地址。 采用指令跳躍尋址方式，可以實(shí)現(xiàn)程序轉(zhuǎn)移或構(gòu)成循環(huán)程序，從而能縮短程序長(zhǎng)度，或?qū)⒛承┏绦蜃鳛楣渤绦蛞谩Ｖ噶钕到y(tǒng)中的各種條件轉(zhuǎn)移或無(wú)條件轉(zhuǎn)移指令，就是為了實(shí)現(xiàn)指令的跳躍尋址而設(shè)置的。,形成操作數(shù)的有效地址的方法，稱為操作數(shù)的尋址方式。 例如，一種單地址指令的結(jié)構(gòu)如下所示，其中用X，I，D各字段組成該指令的操作數(shù)地址。,4.3.2操作數(shù)尋址方式,指令中操作數(shù)字段的地址碼是由形式地址和尋址方式特征位等組合形成，因此，一般來(lái)說，指令中所給出的地址碼，并不是操作數(shù)的有效地址。 因此，尋址過程就是

19、把操作數(shù)的形式地址，變換為操作數(shù)的有效地址的過程。 具體的尋址方式有：隱含尋址立即尋址 直接尋址間接尋址 寄存器尋址寄存器間接尋址 偏移尋址（基值、變址、相對(duì)） 堆棧尋址 段尋址,1.隱含尋址 在指令中不明顯的給出而是隱含著操作數(shù)的地址。例如，單地址的指令格式，沒有在地址字段中指明第二操作數(shù)地址，而是規(guī)定累加寄存器AC作為第二操作數(shù)地址，AC對(duì)單地址指令格式來(lái)說是隱含地址。 2.立即尋址 指令的地址字段指出的不是操作數(shù)的地址，而是操作數(shù)本身。這種方式的特點(diǎn)是指令執(zhí)行時(shí)間很短，不需要訪問內(nèi)存取數(shù)。 例如：?jiǎn)蔚刂返囊莆恢噶罡袷綖?這里D不是地址，而是一個(gè)操作數(shù)。F為標(biāo)志位，當(dāng)F1，操作數(shù)進(jìn)行右移；

20、當(dāng)F0時(shí)，操作數(shù)進(jìn)行左移。,3.直接尋址 直接尋址特點(diǎn)是：在指令格式的地址字段中直接指出操作數(shù)在內(nèi)存的地址D。 采用直接尋址方式時(shí)，指令字中的形式地址D就是操作數(shù)的有效地址E，既ED。因此通常把形式地址D又稱為直接地址。此時(shí)，由尋址模式給予指示。 如果用S表示操作數(shù)，那么直接尋址的邏輯表達(dá)式為 S（E）（D）,4.間接尋址 間接尋址的情況下，指令地址字段中的形式地址D不是操作數(shù)的真正地址，而是操作數(shù)地址的指示器，D單元的內(nèi)容才是操作數(shù)的有效地址。 如果把直接尋址和間接尋址結(jié)合起來(lái)，指令有如下形式：,尋址特征位I0，表示直接尋址，這時(shí)有效地址ED； I1，表示間接尋址，這時(shí)有效地址E（D）。 間

21、接尋址方式是早期計(jì)算機(jī)中經(jīng)常采用的方式，但由于兩次訪存，影響指令執(zhí)行速度，現(xiàn)在已不大使用。,5.寄存器尋址方式 當(dāng)操作數(shù)不放在內(nèi)存中，而是放在CPU的通用寄存器中時(shí)，可采用寄存器尋址方式。此時(shí)指令中給出的操作數(shù)地址不是內(nèi)存的地址單元號(hào)，而是通用寄存器的編號(hào)。 6. 寄存器間接尋址方式 寄存器間接尋址方式與寄存器尋址方式的區(qū)別在于：指令格式中的寄存器內(nèi)容不是操作數(shù)，而是操作數(shù)的地址，該地址指明的操作數(shù)在內(nèi)存中 如：以8086 CPU的指令系統(tǒng)中MOV指令的源操作數(shù)為例 MOVAX，BX；源操作數(shù)是寄存器尋址 MOVAX，BX；源操作數(shù)是寄存器間接尋址,7.相對(duì)尋址方式 把程序計(jì)數(shù)器PC的內(nèi)容加上

22、指令格式中的形式地址D而形成操作數(shù)的有效地址。程序計(jì)數(shù)器的內(nèi)容就是當(dāng)前指令的地址?！跋鄬?duì)”尋址，就是相對(duì)于當(dāng)前的指令地址而言。 采用相對(duì)尋址方式的好處是程序員無(wú)須用指令的絕對(duì)地址編程，所編程序可以放在內(nèi)存任何地方。 此時(shí)形式地址D通常稱為偏移量，其值可正可負(fù)，相對(duì)于當(dāng)前指令地址進(jìn)行浮動(dòng)。 假設(shè)D=1000H，PC=2000H，則有效地址=（PC）+D =2000H+1000H=3000H，操作數(shù)=（3000H）=1234H,PC,操作數(shù)=1234H,+,OP X3 D,1234H,3000H,8.基址尋址方式 基址尋址方式是將CPU中基址寄存器的內(nèi)容加上指令格式中的形式地址而形成操作數(shù)的有效地

23、址。 它的優(yōu)點(diǎn)是可以擴(kuò)大尋址能力。同形式地址相比，基址寄存器的位數(shù)可以設(shè)置得很長(zhǎng)，從而可以在較大的存儲(chǔ)空間中尋址。,9.變址尋址方式 變址尋址方式與基址尋址方式計(jì)算有效地址的方法很相似，它把CPU中某個(gè)變址寄存器的內(nèi)容與偏移量D相加來(lái)形成操作數(shù)有效地址。 但使用變址尋址方式的目的不在于擴(kuò)大尋址空間，而在于實(shí)現(xiàn)程序塊的規(guī)律性變化。,10.段尋址方式 微型機(jī)中采用了段尋址方式，例如它們可以給定一個(gè)20位的地址，從而有1M存儲(chǔ)空間的直接尋址能力。為此將整個(gè)1M空間存儲(chǔ)器以64K為單位劃分成若干段。在尋址一個(gè)內(nèi)存具體單元時(shí)，由一個(gè)基地址再加上某些寄存器提供的16位偏移量來(lái)形成實(shí)際的20位物理地址。這個(gè)

24、基地址就是CPU中的段寄存器。在形成20位物理地址時(shí)，段寄存器中的16位數(shù)會(huì)自動(dòng)左移4位，然后以16位偏移量相加，,4.3.3尋址方式舉例,即可形成所需的內(nèi)存地址。 這種尋址方式的實(shí)質(zhì)還是基址尋址。,操作數(shù)尋址方式設(shè)計(jì)的要求,1.指令內(nèi)包含的地址盡可能短； 短地址指令占存儲(chǔ)空間小，且能減少存儲(chǔ)時(shí)間。 2.能訪問盡可能大的存儲(chǔ)空間； 3.地址能隱含在寄存器里； 寄存器字長(zhǎng)與機(jī)器字長(zhǎng)相同,一般對(duì)應(yīng)整個(gè)存儲(chǔ)空間。這樣在發(fā)生大跨步跳躍時(shí),用短指令也行。 4.希望在不改變指令的情況下改變地址的實(shí)際值；能夠處理數(shù)組,表格或數(shù)據(jù)串。 5.尋址方式盡可能簡(jiǎn)單。,1.pentium的尋址方式 外部地址總線寬度是

25、36位，但它也支持32位物理地址空間。 在實(shí)地址模式下，邏輯地址形式為段尋址方式：將段名所指定的段寄存器內(nèi)容（16位）左移4位，低4位補(bǔ)全0,得到20位段基地址，再加上16位段內(nèi)偏移，即得20位物理地址。 在保護(hù)模式下，32位段基地址加上段內(nèi)偏移得到32位線性地址。由存儲(chǔ)管理部件將其轉(zhuǎn)換成32位的物理地址。 Pentium的尋址方式,下面對(duì)32位尋址方式作幾點(diǎn)說明： 立即數(shù)可以是8位，16位，32位。 寄存器地址：一般指令或使用8位通用寄存器，或使用16位通用寄存器，或使用32位通用寄存器。對(duì)64位浮點(diǎn)數(shù)操作，要使用一對(duì)32位寄存器。少數(shù)指令以段寄存器來(lái)實(shí)施寄存器尋址方式。 直接尋址：也稱偏移

26、量尋址方式，偏移量長(zhǎng)度可以是8位，16位，32位。 基址尋址：基址寄存器B可以是上述通用寄存器中任何一個(gè)?；芳拇嫫鰾的內(nèi)容為有效地址。 基址偏移量尋址：基址寄存器B是32位通用寄存器中任何一個(gè). 比例地址偏移量尋址：也稱為變址尋址方式，變址寄存器I是32位通用寄存器中除ESP外的任何一個(gè)，而且可將此變址寄存器內(nèi)容乘以1,2,4或8的比例因子S,然后再加上偏移量而得到有效地址。 ，兩種尋址方式是，兩種尋址方式的組合，此時(shí)偏移量可有可無(wú)。 相對(duì)尋址：適用于轉(zhuǎn)移控制類指令。用當(dāng)前指令指針寄存器EIP或IP的內(nèi)容（下一條指令地址）加上一個(gè)有符號(hào)的偏移量，形成CS段的段內(nèi)偏移。,立即尋址,操作數(shù),寄存

27、器間接尋址,存儲(chǔ)器間接尋址,變址尋址,基址尋址,基址加變址尋址,在寄存器中,在主存中,在I/O端口中,直接尋址（8位）,間接尋址（16位 DX）,在指令中,寄存器尋址,例3一種二地址RS型指令的結(jié)構(gòu)如下所示： 6位 4位 1位 2位16位,其中I為間接尋址標(biāo)志位，X為尋址模式字段，D位偏移量字段。通過I，X，D的組合，可構(gòu)成下表所示的尋址方式。 請(qǐng)寫出六種尋址方式的名稱。,解：直接尋址 相對(duì)尋址 變址尋址 寄存器間接尋址 間接尋址 基址尋址,例4 某16位機(jī)器所使用的指令格式和尋址方式如下所示，該機(jī)有兩個(gè)20位基址寄存器，四個(gè)16位變址寄存器，十六個(gè)16位通用寄存器，指令匯編格式中的S（源），

28、D（目標(biāo)）都是通用寄存器，M是主存中的一個(gè)單元。三種指令的操作碼分別是MOV（OP）（A）H ，STA（OP）（1B）H ，LDA（OP）（3C）H。MOV是傳送指令，STA為寫數(shù)指令，LDA為讀數(shù)指令。,要求： 分析三種指令的指令格式與尋址方式特點(diǎn)。 CPU完成哪一種操作所花時(shí)間最短？哪一種操作所花時(shí)間最長(zhǎng)？第二種指令的執(zhí)行時(shí)間有時(shí)會(huì)等于第三種指令的執(zhí)行時(shí)間嗎？ 下列情況下每個(gè)十六進(jìn)制指令字分別代表什么操作？其中如果有編碼不正確，如何改正才能成為合法指令？ (F0F1)H (3CD2)H (2856)H (6FD6)H (1C2)H 解： 第一種指令是單字長(zhǎng)二地址指令，RR型； 第二種指令是

29、雙字長(zhǎng)二地址指令，RS型， 其中S采用基址尋址或變址尋址，R由源寄存器決定； 第三種也是雙字長(zhǎng)二地址指令，RS型， 其中R由目標(biāo)寄存器決定，S由20位地址（直接尋址）決定。 處理機(jī)完成第一種指令所花時(shí)間最短，因?yàn)槭荝R型指令，不需要訪問存儲(chǔ)器。第二種指令所花時(shí)間最長(zhǎng)，因?yàn)槭荝S型指令，需要訪問存儲(chǔ)器，同時(shí)要進(jìn)行尋址方式的變換運(yùn)算（基址或變址），這也需要時(shí)間。第二種指令的執(zhí)行時(shí)間不會(huì)等于第三種指令，,因?yàn)榈谌N指令雖然也訪問存儲(chǔ)器，但節(jié)省了求有效地址運(yùn)算的時(shí)間開銷。 MOV（OP）001010 根據(jù)已知條件： STA（OP）011011 LDA（OP）111100 將指令的十六進(jìn)制格式轉(zhuǎn)換成二進(jìn)

30、制代碼且比較后可知： (F0F1)H (3CD2)H 指令代表LDA指令，編碼正確，其含義是把主存(13CD2)H 地址單元的內(nèi)容取至15號(hào)寄存器。 (2856)H 指令代表MOV指令，編碼正確，含義是把6號(hào)源寄存器的內(nèi)容傳送至5號(hào)目標(biāo)寄存器。 (6FD6)H 是單字長(zhǎng)指令，一定是MOV指令，但編碼錯(cuò)誤，可改正為(28D6)H。 (1C2)H 是單字長(zhǎng)指令，代表MOV指令，但編碼錯(cuò)誤，可改正為(28C2)H 。,4.5 典型指令,一臺(tái)計(jì)算機(jī)最基本的、必不可少的指令是不多的，因?yàn)楹芏嘀噶疃伎梢杂眠@些最基本的指令組合來(lái)實(shí)現(xiàn)。 既可以直接用硬件實(shí)現(xiàn)，也可以用其他指令編成子程序來(lái)實(shí)現(xiàn)，但兩者在執(zhí)行時(shí)間

31、上差別很大，因此在指令系統(tǒng)中，有相當(dāng)一部分指令是為了提高程序的執(zhí)行速度和便于程序員編寫程序而設(shè)置的。 另外，指令系統(tǒng)的有效性還表現(xiàn)在用它所編制的程序占用的存儲(chǔ)器空間小。 不同機(jī)器的指令系統(tǒng)是各不相同的。從功能上考慮，一個(gè)較完善的指令系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)包括：數(shù)據(jù)傳送類、算術(shù)運(yùn)算類、邏輯運(yùn)算類、程序控制類、輸入輸出類、字符串類、系統(tǒng)控制類。,4.5.1指令的分類 1.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、成組傳送指令、字節(jié)交換指令、清累加器指令、堆棧操作指令等等。用來(lái)實(shí)現(xiàn)主存和寄存器之間，或寄存器和寄存器之間的數(shù)據(jù)傳送。 2.算術(shù)運(yùn)算指令 包括二進(jìn)制定點(diǎn)加、減、乘、除指令，浮點(diǎn)加、減、乘、除指

32、令，求反、求補(bǔ)指令，算術(shù)移位指令，算術(shù)比較指令，十進(jìn)制加、減運(yùn)算指令等。用于定點(diǎn)或浮點(diǎn)的算術(shù)運(yùn)算，大型機(jī)中有向量運(yùn)算指令，直接對(duì)整個(gè)向量或矩陣進(jìn)行求和、求積運(yùn)算。 3.邏輯運(yùn)算指令 包括邏輯加、邏輯乘、按位加、邏輯移位等指令，用于無(wú)符號(hào)數(shù)的位操作、代碼的轉(zhuǎn)換、判斷及運(yùn)算。 移位指令用來(lái)對(duì)寄存器的內(nèi)容實(shí)現(xiàn)左移、右移或循環(huán)移位。,4.程序控制指令 程序控制指令也稱轉(zhuǎn)移指令。執(zhí)行程序時(shí)，有時(shí)機(jī)器執(zhí)行到某條指令時(shí)，出現(xiàn)了幾種不同結(jié)果，這時(shí)機(jī)器必須執(zhí)行一條轉(zhuǎn)移指令，根據(jù)不同結(jié)果進(jìn)行轉(zhuǎn)移，從而改變程序原來(lái)執(zhí)行的順序。這種轉(zhuǎn)移指令稱為條件轉(zhuǎn)移指令。除各種條件轉(zhuǎn)移指令外，還有無(wú)條件轉(zhuǎn)移指令、轉(zhuǎn)子程序指令、返回

33、主程序指令、中斷返回指令等。 轉(zhuǎn)移指令的轉(zhuǎn)移地址一般采用直接尋址和相對(duì)尋址方式來(lái)確定。 5.輸入輸出指令 輸入輸出指令主要用來(lái)啟動(dòng)外圍設(shè)備，檢查測(cè)試外圍設(shè)備的工作狀態(tài)，并實(shí)現(xiàn)外部設(shè)備和CPU之間，或外圍設(shè)備與外圍設(shè)備之間的信息傳送。,6.字符串處理指令 字符串處理指令是一種非數(shù)值處理指令，一般包括字符串傳送、字符串轉(zhuǎn)換（把一種編碼的字符串轉(zhuǎn)換成另一種編碼的字符串）、字符串替換（把某一字符串用另一字符串替換）等。這類指令在文字編輯中對(duì)大量字符串進(jìn)行處理。 7.特權(quán)指令 特權(quán)指令是指具有特殊權(quán)限的指令。這類指令只用于操作系統(tǒng)或其他系統(tǒng)軟件，一般不直接提供給用戶使用。 在多用戶、多任務(wù)的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中特權(quán)指令必不可少。它主要用于系統(tǒng)資源的分配和管理。 8.其他指令 除以上各類指令外，還有狀態(tài)寄存器置位、復(fù)位指令、測(cè)試指令、暫停指令，空操作指令，以及其他一些系統(tǒng)控制用的特殊指令。,8088/8086CPU對(duì)應(yīng)的指令分類 1.數(shù)據(jù)傳送類 取數(shù) MOV AX，TEMP 存數(shù) MOV TEMP，AX 傳送 MOV AX，CX 2.算術(shù)運(yùn)算類 定點(diǎn)，ADD，A