1、第四章 指令系統(tǒng),內(nèi)容簡介,指令系統(tǒng)的發(fā)展與性能要求 指令的一般格式 尋址方式 指令的分類和功能,重點內(nèi)容,1、基本概念 指令系統(tǒng)、尋址方式、CISC、RISC 2、指令格式和尋址方式辨析,作業(yè),P127： 3、4、5、6,41 指令系統(tǒng)的發(fā)展與性能要求,指令系統(tǒng)的發(fā)展 對指令系統(tǒng)性能的要求 低級語言與硬件結(jié)構(gòu)的關(guān)系,1、指令 計算機的程序是由一系列的指令有序組成的，指令就是要計算機執(zhí)行某種操作的命令，一條指令可完成一個獨立的算術(shù)邏輯運算操作。 微指令、機器指令、匯編指令、宏指令。 若干條指令組成的軟件指令稱為宏指令，相當于一個過程（函數(shù)、子程序）。,411指令系統(tǒng)的發(fā)展,2、指令系統(tǒng) 一臺計

2、算機中所有機器指令的集合，稱為這臺計算機的指令系統(tǒng)。 指令系統(tǒng)是表征一臺計算機性能的重要因素，其格式與功能直接影響機器的硬件結(jié)構(gòu)、軟件、適用范圍等。,411指令系統(tǒng)的發(fā)展,3、系列機 系列機指基本指令系統(tǒng)相同、基本體系結(jié)構(gòu)相同的一系列計算機。 軟件兼容問題：同一系列的各機種有共同的基本指令集，新推出的機種指令系統(tǒng)一定包含所有舊機種的全部指令，以確保舊機種上運行的各種軟件可以不加修改便可以在新機種上運行。 顯然，這種方式會造成指令系統(tǒng)越來越大，越來越復(fù)雜。,411指令系統(tǒng)的發(fā)展,4、復(fù)雜指令系統(tǒng)CISC 指令條數(shù)多、結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜多樣、尋址方式種類繁多、功能復(fù)雜多樣、翻譯執(zhí)行效率低、很多指令難得用

3、到。 CISC使計算機的研制周期長，難以保證正確性，不易調(diào)試、維護，大量使用頻率很低的復(fù)雜指令浪費了系統(tǒng)硬件資源。 對CISC機的測試表明，最常使用的是一些最簡單最基本的指令，僅占指令總數(shù)的20%，但在程序中出現(xiàn)的頻率卻占80%。,411指令系統(tǒng)的發(fā)展,5、精簡指令系統(tǒng)RISC 選取使用頻率最高的一些簡單指令，指令條數(shù)少，復(fù)雜功能通過宏指令實現(xiàn)； 指令長度、格式、結(jié)構(gòu)形式、尋址方式種類少，翻譯執(zhí)行效率高； 只有取數(shù)/存數(shù)指令訪問存儲器，其余指令的操作均在CPU內(nèi)部寄存器之間進行。 RISC可縮短計算機的研制周期、易于保證正確性、調(diào)試、維護，系統(tǒng)硬件資源使用效率高。,411指令系統(tǒng)的發(fā)展,完備性

4、：指令系統(tǒng)豐富、功能齊全、使用方便； 有效性：指令系統(tǒng)所編寫的程序能夠高效率運行； 規(guī)整性：指令系統(tǒng)的對稱性、勻齊性、指令格式和數(shù)據(jù)格式的一致性； 兼容性：向上兼容，低檔機上運行的軟件可以直接在高檔機上運行。,412對指令系統(tǒng)性能的要求,低級語言：機器語言、匯編語言，面向具體機器的硬件結(jié)構(gòu)，與具體機器的指令系統(tǒng)密切相關(guān)； 高級語言：與計算機的硬件結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)無關(guān)。,413低級語言與硬件結(jié)構(gòu)的關(guān)系,42 指令格式,操作碼 地址碼 指令字長度 指令助記符 指令格式舉例,42 指令格式,指令格式通常由操作碼字段和操作數(shù)字段（地址碼字段）組成。,操作碼字段 表征指令的操作特性與功能，即要求計算機完成

5、什么運算操作； 地址碼字段 告訴計算機如何取得運算所需的操作數(shù)；,421操作碼,1、操作碼字段的編碼 不同指令的操作碼字段用不同編碼來表示，如001代表加法、010代表減法、110代表存數(shù)等。 CPU中有專門的譯碼電路（控制器）負責(zé)解釋每個操作碼的含義，從而產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號，指揮相關(guān)部件完成規(guī)定的操作。,421操作碼,2、操作碼字段的位數(shù) 操作碼字段的位數(shù)取決于計算機指令系統(tǒng)所定義的操作類型。 如指令系統(tǒng)有8種操作類型，則操作碼字段3位；有32種操作類型，則操作碼字段5位。 一般地，一個包含n位的操作碼最多能表示2n種操作類型。,421操作碼,3、操作碼字段的結(jié)構(gòu)形式 定長操作碼字段：長度固

6、定，譯碼控制電路簡單、效率高。 變長操作碼字段：長度不固定，一般有多種類型的長度，表示的指令類型多，但譯碼控制復(fù)雜、效率低。,422地址碼,1、地址碼分類,操作碼,三操作數(shù)（地址）指令： （A1）OP（A2） （A3）,雙操作數(shù)（地址）指令： （A1）OP（A2） （A1）,單操作數(shù)（地址）指令： OP（A1） （A3） （AC）OP（A1） （AC）,無操作數(shù)（地址）指令： 操作數(shù)隱含SCASB、SCMPW、CLD 系統(tǒng)操作指令HLT、WAIT,422地址碼,2、雙操作數(shù)指令,1）存儲器-存儲器（SS）型指令 源操作數(shù)、目的操作數(shù)都在內(nèi)存單元中，這種指令的長度、執(zhí)行時間較長，需多次訪問內(nèi)存，

7、一般限制使用； 2）寄存器-寄存器（RR）型指令 源操作數(shù)、目的操作數(shù)、運算結(jié)果都在CPU的內(nèi)部寄存器中，不需要訪問內(nèi)存； 3）寄存器-存儲器（RS）型指令 一個操作數(shù)在寄存器中、另一個操作數(shù)在內(nèi)存單元中，需要訪問內(nèi)存；,423指令字長度,1、分類 指令字長度是指一條指令中包含的二進制代碼的位數(shù)，包括操作碼和操作數(shù)字段。 根據(jù)指令字長度與機器字長的關(guān)系，可劃分為：單字長指令、雙字長指令、半字長指令。,423指令字長度,2、結(jié)構(gòu)形式 等長指令字結(jié)構(gòu)：各種指令字長度相同，結(jié)構(gòu)形式簡單，控制也簡單； 變長指令字結(jié)構(gòu)：各種指令字長度不相同的，結(jié)構(gòu)形式靈活，控制復(fù)雜；,424指令助記符,在匯編語言中，為

8、了便于書寫和閱讀，指令通常用英文縮寫字母來表示，這種英文縮寫碼稱為指令助記符； 指令助記符表示每條指令的操作類型，容易記憶、書寫、閱讀。,425指令格式舉例,1、八位微型計算機的指令格式,特點：定長操作碼字段 變長指令字結(jié)構(gòu),單字長指令 雙字長指令 三字長指令,425指令格式舉例,2、PDP/11系列機指令格式,特點：變長操作碼字段 等長指令字結(jié)構(gòu),425指令格式舉例,3、pentium指令格式,特點：變長操作碼字段 變長指令字結(jié)構(gòu),源操作數(shù)：Reg； 目的操作數(shù)：由（Mod R/M 比例S 變址I 基址B 位移量 立即數(shù)）組合；,425指令格式舉例,例1指令格式如下所示，其中OP為操作碼，試

9、分析指令格式的特點。,解 (1)單字長二地址指令； (2)操作碼字段OP可以指定128條指令； (3)源寄存器、目標寄存器可分別指定16個；RR型指令，即兩個操作數(shù)均在寄存器中； (4)這種指令結(jié)構(gòu)常用于算術(shù)邏輯運算類指令；,425指令格式舉例,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。,解 (1)雙字長二地址指令，用于訪問存儲器； (2)操作碼字段OP為6位，可以指定64種操作； (3)一個操作數(shù)在源寄存器（共16個）中，另一個操作數(shù)在存儲器中（由變址寄存器和位移量決定），RS型指令；,15 10 7 4 3 0,43 操作數(shù)類型,一般的數(shù)據(jù)類型 Pentium數(shù)據(jù)類型 P

10、ower PC數(shù)據(jù)類型,431一般的數(shù)據(jù)類型,432Pentium數(shù)據(jù)類型,433Power PC數(shù)據(jù)類型,44 指令和數(shù)據(jù)的尋址方式,指令的尋址方式 操作數(shù)基本尋址方式 尋址方式舉例,44 指令和數(shù)據(jù)的尋址方式,尋址方式： 告訴計算機如何獲取指令和運算所需要的操作數(shù)。即如何提供將要執(zhí)行的指令所在存儲單元的物理地址；如何提供運算所需要的操作數(shù)所在存儲單元的物理地址、或者操作數(shù)所在內(nèi)部寄存器的編號。,441指令的尋址方式,1、順序?qū)ぶ贩绞?程序順序執(zhí)行； 采用程序計數(shù)器PC控制程序的順序執(zhí)行，PC具有自動“加1”的功能； PC實際上就是一個指針，每當一條指令取指令結(jié)束后，自動增量，指向下一條指令

11、。,第2條取指令結(jié)束后（PC）=3,441指令的尋址方式,2、跳躍尋址方式 程序跳轉(zhuǎn)執(zhí)行，如轉(zhuǎn)移類指令、循環(huán)類指令、子程序調(diào)用與返回指令、中斷指令。 按指定的某種規(guī)則(直接尋址、間接尋址、查中斷向量表等)生成新的轉(zhuǎn)移地址，并送到程序計數(shù)器PC中，從而改變程序的執(zhí)行順序。,第3條取指令結(jié)束后：（PC）=4 第3條指令執(zhí)行結(jié)束后： （PC）=6 直接尋址方式：指令中直接給出目標轉(zhuǎn)移地址。,442操作數(shù)基本尋址方式,1、隱含尋址 在指令中沒有顯式的給出，而是指令設(shè)計時約定的。 一般是指某些指令中隱含的累加器、循環(huán)計數(shù)器、變址寄存器等專用寄存器。 LOOP 隱含循環(huán)計數(shù)器CX SCAS 隱含串首地址在

12、DI寄存器中、串的長度在CX寄存器中,2、立即尋址 指令的地址碼字段直接指出操作數(shù)本身，類似于高級語言中的常數(shù)。 D本身是操作數(shù) ADDAX，1234H,442操作數(shù)基本尋址方式,3、直接尋址 指令地址碼字段中，直接給出操作數(shù)所在內(nèi)存單元的地址A，A往往經(jīng)過變換形成物理地址。 ADD AX，1234H 物理地址：16(DS)+1234H,442操作數(shù)基本尋址方式,4、間接尋址 指令地址碼字段中的A是操作數(shù)地址的地址，理論上可以多次間接尋址。,442操作數(shù)基本尋址方式,5、寄存器尋址 在地址碼字段中直接給出寄存器的編號，匯編中采用符號名。 ADD AX，BX,442操作數(shù)基本尋址方式,6、寄存器

13、間接尋址 在地址碼字段中直接給出寄存器編號R，該寄存器中的內(nèi)容是操作數(shù)所在內(nèi)存單元的地址。 ADD AX，BX,442操作數(shù)基本尋址方式,7、偏移尋址 在地址碼字段中給出寄存器編號R、偏移地址A，（R）+A為操作數(shù)所在內(nèi)存單元的物理地址。 相對尋址、基址尋址、變址尋址。 ADD AX，BX+1234H,442操作數(shù)基本尋址方式,7、偏移尋址 相對尋址：程序計數(shù)器PC的內(nèi)容加上地址碼字段中的偏移地址D，形成操作數(shù)所在內(nèi)存單元的物理地址。,442操作數(shù)基本尋址方式,7、偏移尋址 基址尋址：地址碼字段中指定基址寄存器A、偏移地址D，（A）+D是操作數(shù)所在內(nèi)存單元的物理地址。,442操作數(shù)基本尋址方式

14、,7、偏移尋址 變址尋址：地址碼字段中指定變址寄存器A、偏移地址D，（A）+D是操作數(shù)所在內(nèi)存單元的物理地址。,442操作數(shù)基本尋址方式,8、段尋址,現(xiàn)代計算機的主存空間普遍采用分段技術(shù)。如8086，主存地址空間1M，可劃分為16個64K的段，20位物理地址由16位段地址、16位偏移地址組成。 指令地址碼字段只給偏移地址。,16d段地址+有效地址,442操作數(shù)基本尋址方式,9、堆棧尋址 堆棧：按照“先進后出、后進先出”原則的順序訪問的數(shù)據(jù)組織結(jié)構(gòu)。,初始化：設(shè)置棧底位置，即SP賦初值 進棧操作：向堆棧PUSH一個數(shù)據(jù)單元 出棧操作：從堆棧中POP一個數(shù)據(jù)單元,442操作數(shù)基本尋址方式,9、堆棧

15、尋址 進棧操作：（SP）-1（SP），A （SP） 出棧操作：（SP） B，（SP）+1 （SP）,442操作數(shù)基本尋址方式,9、堆棧尋址 進棧操作：（SP）+1（SP），A （SP） 出棧操作： （SP）B，（SP）-1 （SP）,442操作數(shù)基本尋址方式,443尋址方式舉例,1、pentium的尋址方式,443尋址方式舉例,2、Power PC尋址方式,443尋址方式舉例,例3一種二地址RS型指令的結(jié)構(gòu)如下所示： 其中I為間接尋址標志位，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。 請寫出六種尋址方式的名稱。 解,443尋址方式舉例,例4某16位機器所

16、使用的指令格式和尋址方式如下所示，該機有兩個20位基址寄存器，四個16位變址寄存器，十六個16位通用寄存器，指令匯編格式中的S（源），D（目標）都是通用寄存器，M是主存中的一個單元。三種指令的操作碼分別是MOV（OP）（0A）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。,443尋址方式舉例,要求： 分析三種指令的指令格式與尋址方式特點。 CPU完成哪一種操作所花時間最短？哪一種操作所花時間最長？第二種指令的執(zhí)行時間有時會等于第三種指令的執(zhí)行時間嗎？ 下列情況下每個十六進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,443尋址方式舉例,解（1）第一種指令是單字長二地址指令，RR型；第二種指令是雙字長二地址指令，RS型，其中S采用基址尋址或變址尋址，R由源寄存器決定；第三種也是雙字長二地址指令，RS型，其中R由目標寄存器決定，S由20位地址（直接尋址）決定。,443尋址方式舉例,（2）處理機完成第一種指令所花時間最短，因為是RR型指令，不需要訪問存儲