计算机组成原理之指令系统

1、第第4章章 指令系统指令系统 作者作者 华南理工大学华南理工大学 计算机学院计算机学院 黄钦胜黄钦胜本章重点本章重点 本章内容本章内容指令格式、功能及分类，指令格式、功能及分类，指令和数据的寻址方式，指令和数据的寻址方式，堆栈及其实现，堆栈及其实现， RISC和和C CISC的特点。的特点。 4. .1 指令指令 4. .2 寻址方式寻址方式 4. .3 堆栈堆栈 4.4 .4 CISC和和RISC的指令的指令系统系统 第第4 4章章 典型习题与解答典型习题与解答4. .1 指令指令l概述概述l4. .1. .1 指令指令的基本格式的基本格式l 4. .1. .2 地址码格式地址码格式 l 4

2、. .1. .3 指令的操作码格式指令的操作码格式 l 4. .1. .4 指令格式举例指令格式举例 4. .1 指令指令1 概述：概述： （1） 指令系统 ：指挥计算机执行某种操作的命令。 ：某计算机所能执行的全部指令， 称为该机的指令系统。4. .1 指令指令1 概述：概述： （2） 指令系统的类型 复杂指令系统计算机（CISC） 精简指令系统计算机（RISC）软件.1 指令指令1 概述：概述：（3） 指令系统是软件、硬件之间的界面按指令系统功能构造硬件组织； 硬件支持指令系统功能的实现；在指令系统的基础上构造系统软件。 硬件4. .1 指令指令2 对指令系统性能的要求对指令系统性能的要求

3、 （1 1） 完备性完备性 （2 2） 有效性有效性 （3 3） 规整性规整性 完备性完备性: :要求指令系统丰富，功能齐全，使用方便。有效性有效性: :指编出的程序能高效率运行，占存储空间小，执行速度快。规整性规整性 : :包括对称性、匀齐性、指令格式和数据格式的一致性。 对称性 ：指令系统中所有的寄存器和存储单元都可同等 对待，所有指令都可使用各种寻址方式。 匀齐性 ：一种操作性质的指令可支持各种数据类型 。一致性 ：指令的长度和数据的长度有一定的关系，以便 处理和存取，通常为字节长度的整数倍。 兼容性 系列机各机种之间具有相同的基本结构和共同 的基本指令集，且“向上兼容”。 4. .1.

4、 .1 指令指令的基本格式的基本格式 1. 操作码操作码OP 2. 地址码地址码A OP A 用于指示指令的操作性质及功能。 nlog2N或N2n N指令系统基本指令的 条数。 nOP的二进制位数。指示操作数或指令的地址 A的位数越多，在内存中访问的范围（寻址范围）越大。 通常还包含寻址方式码 。4. .1. .1 指令的基本格式指令的基本格式3. 3. 指令字长指令字长 一条指令含有的二进制位数 。指令字长和机器字长通常是整倍数关系。4. 4. 决定指令格式的主要因素决定指令格式的主要因素 操作种类、地址个数、寻址方式。 4. .1. .2 地址码格式地址码格式 1 三地址指令三地址指令 O

5、P A1 A2 A3指令意义： (A1) OP (A2) A3 优点：适用于需保留操作数的场合。 缺点：指令码长。 4. .1. .2 地址码格式地址码格式 2 二地址指令二地址指令 op A1 A2指令意义： （A1）OP（A2）A1 特点特点指令码长度适中，使用方便。 执行指令后，目的地址A1 中的操作数被运算结果所取代。 4. .1. .2 地址码格式地址码格式 3 3 一地址指令一地址指令 OP A指令意义： 对于单操作数指令 OP (A) AC AC累加器 例如 LDA 48指令，执行(MEM)48 AC的操作。 对于双操作数指令 （AC）OP（A）AC A显地址 AC隐含地址，是隐

6、含的寻址方式优点优点：特别适用于只需一个地址的指令，指令字长度短。 缺点缺点：对于两个操作数都来自内存的运算，速度慢。 4. .1. .2 地址码格式地址码格式4 . 零地址指令零地址指令 OP 适用于不需操作数的指令，如 NOP、HALT等指令。 在堆栈处理器中，使用零地址指令，所需操作数，可由堆栈指针SP指出。4. .1. .2 地址码格式地址码格式5 指令按操作数的来源分指令按操作数的来源分 RR型、SS型和RS型三种 RR型指令型指令 SS型指令型指令 RS型指令型指令 -两个操作数均来自寄存器的指令 -两个操作数均来自内存的指令 -操作数分别来自寄存器和内存的指令 指令字长较短的微、

7、小型机广泛使用二地址、一地址指令。 大中型机功能强，各种地址数目的指令都用。 4. .1. .3 指令的操作码格式指令的操作码格式 每一条指令对应一个确定的操作码 1. 固定长度操作码（规整型）固定长度操作码（规整型）操作码位数固定，而且集中于第一个字段中。优点：有利于简化译码器的设计。 4. .1. .3 指令的操作码格式指令的操作码格式 例：IBM 370指令格式1： OP指令格式2： OP指令格式3： OP 4. .1. .3 指令的操作码格式指令的操作码格式 2. 可变长度操作码可变长度操作码（非规整型） 操作码的位数和位置随不同指令而不同，但指令码长度固定不变。 例 PDP-11，指

8、令长度固定为16位。 操作码位数可有4、7、8、10、11和13位。 例：某机指令字长均为16位，需设置二地址、一地址和零地址指令三种，每个操作数的地址码占6位，用操作码扩展的方法设计出这三种指令的格式。二地址的指令格式二地址的指令格式 OP A1 A215 1211 65 0指定4位OP从00001110是二地址指令的操作码， 故最多可有24 1=15条二地址指令。 4位OP是1111表示非二地址指令。例：某机指令字长均为16位，需设置二地址、一地址和零地址指令三种，每个操作数的地址码占6位，用操作码扩展的方法设计出这三种指令的格式。一地址的指令格式一地址的指令格式1 1 1 1 A15 1

9、211 65 010位OP从11110000001111111110是一地址指令的操作码， 故最多可有26 1=63条一地址指令。 10位OP是全1表示零地址指令 例：某机指令字长均为16位，需设置二地址、一地址和零地址指令三种，每个操作数的地址码占6位，用操作码扩展的方法设计出这三种指令的格式。 零地址指令零地址指令 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 15 1211 65 0高10位为全1，低6位可表示 26 =64条零地址指令 2. 可变长度操作码可变长度操作码（非规整型）特点特点 优点优点 缺点缺点 ：操作码可变长。 ：缩短指令的平均长度，减少程序总位数，增加 指令字的操作信息。

10、：控制器设计难度增大，需要更多的硬件支持 （译码复杂等）。 4. .1. .4 指令格式举例指令格式举例 1 8位微型机的指令格式位微型机的指令格式 有单字长、双字长和三字长指令有单字长、双字长和三字长指令 单字长指令单字长指令： 操 作 码 双字长指令双字长指令： 操 作 码操作数地址 三字长指令三字长指令： 操 作 码 操作数地址1 操作数地址2 每取一条指令，（PC）+ PC =1或2或3。 4. .1. .4 指令格式举例指令格式举例 2. PDP-11系列机的指令格式系列机的指令格式（固定16位的指令长度）15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 指

11、令位 指令类型单操作数指令操作码（10位）目标地址（6位）双操作数指令操作码（4位）源地址（6位）目标地址（6位）转移指令操作码（8位）位移量（8位）转子指令操作码（7位）寄存器号子程序返回指令操作码（13位）条件码操作指令操作码（11位）SNZVC特点特点 : :指令长度固定，非规整型操作码结构，指令长度固定，非规整型操作码结构， 典型的寄存器寻址方式。典型的寄存器寻址方式。 4. .1. .4 指令格式举例指令格式举例 3. Pentium指令格式指令格式非固定长度的指令格式（CISC结构特征）指令前缀 段前缀 操作数长度 地址长度 0或1 0或1 0或1 0或1 （字节数）(a)前 缀

12、(b)指 令操作码 Mod Reg或操作码 R / M 比例 S 变址 I 基址 B 位移量 立即数 1或2 0或1 0或1 0,1,2,40.1.2.4(字节数）2位 3位 3位 2位 3位 3位 4. .1. .4 指令格式举例指令格式举例 3. Pentium指令格式指令格式 (1) 特点特点 变字长指令（112字节）； 与Intel 80486 CPU 兼容； 给编译程序写作者以更多灵活的编程支持。 4.1.4 指令格式举例指令格式举例 3. Pentium指令格式指令格式 (2) 指令前缀（可选） 指令前缀LOCK前缀和重复前缀LOCK用于多CPU环境中对共享存储器的排他性访问。 重

13、复前缀用于字符串的重复操作快速。 段取代前缀指令使用不同的段寄存器时需指明。 长度取代前缀 a. 实地址模式，默认两者长度均为16位。 b. 保护模式： 位位160321D4. .1.4 指令格式举例指令格式举例 3. Pentium指令格式指令格式指令由五部分构成 操作码12字节 Mod-R/M：存储器操作数的寻址方式 SIB字段：与Mod-R/M一起完整说明操作数来源 位移量字段 立即数字段 4. .1 指令指令l【例4.1】指令格式如下所示，其中OP为操作码，试分析指令格式的特点。OP 源寄存器 目标寄存器 15 97 43 0答答: : 所示指令是单字长二地址指令。 操作码字段OP有7

14、位，可以指定27128条指令。 源寄存器和目标寄存器都是通用寄存器（可分别指定16个）， 所以是RR型指令，两个操作数均在寄存器中。 这种指令结构常用于算术逻辑运算类指令。 4. .1 指令指令l【例4.2】指令格式如下所示，OP为操作码字段，试分析指令格式特点。 OP 源寄存器 变址寄存器 位移量 （16位） 15 10 7 43 0答：答： 双字长二地址指令； 操作码字段OP为6位，可以指定2664种操作； 一个操作数在源寄存器（共16个）中，另一个操作数在内存储器中（有效地址由变址寄存器和位移量决定），所以是RS型指令。4.2 寻址方式寻址方式l基本概念基本概念l4. .2. .1 指令

15、的寻址方式指令的寻址方式l4. .2. .2 操作数寻址方式操作数寻址方式l4. 2. 3 寻址方式举例寻址方式举例4.2 寻址方式寻址方式 1 什么叫寻址方式？什么叫寻址方式？（编址、选址、定址方式） 形成操作数地址或指令地址的方法方式。 2 术语术语 形式地址形式地址D D 有效地址有效地址E E 指令中给出的地址码。 操作数（或指令）的真实地址。 4.2 寻址方式寻址方式3 对寻址方式的设计要求对寻址方式的设计要求 指令内的地址尽可能短； 寻址范围尽可能大； 地址能隐含在寄存器里，而且能访问整个主存空间； 希望能在不改变指令的情况下改变地址的实际值； 希望寻址方式尽可能简单； 4常用的寻

16、址方式常用的寻址方式立即寻址、直接寻址、间接寻址、相对寻址、寄存器寻址、堆栈寻址等。 4. .2. .1 指令的寻址方式指令的寻址方式 1顺序寻址方式 2跳跃寻址方式 将程序中的指令按其执行的先后次序存放在内存中，由PC提供要执行的指令地址。 由控制类指令的执行形成下一条指令的地址。 应用：程序转移：无条件转移、条件转移、子程序 调用、程序中断； 循环程序。 4. .2. .2 操作数寻址方式操作数寻址方式1立即寻址立即寻址 指令中的地址字段直接给出操作数。 OP 立即数 优点：优点：操作数直观，速度快。 缺点：缺点：不便于更改，降低了程序的通用性和灵活性。 4. .2. .2 操作数寻址方式

17、操作数寻址方式2直接寻址 地址字段直接给出操作数在内存的地址D 有效地址ED操作数S(E)(D) 可寻址范围为2n个存储单元： 0(2n1) n为D的位数。优点：有效地址直观，速度较快。缺点：可寻址范围受地址码位数所限制。4. .2. .2 操作数寻址方式操作数寻址方式3 间接寻址间接寻址 地址字段给出操作数地址的地址。 OP I D间址位I ：I0，D为直接地址 I1，D为间接地址 一次间址：E=(D)，S=(E)=(D)二次间址：E=(D)，S=(E)=(D)优点：扩大寻址范围，方便编程。 缺点：增加指令执行时间，可能出现无穷间址（死循环） 4. .2. .2 操作数寻址方式操作数寻址方式

18、 寄存器寻址的特点 压缩指令字的长度，有效解决指令码长度短与内存容量大的矛盾； 加快指令执行速度，如RR型指令； 可扩大寻址范围 例如8个寄存器，需3位地址，若寄存器字长16位，则R可寻址216=64K 寻址方式多，编程更灵活。 4寄存器寻址和寄存器间接寻址寄存器寻址和寄存器间接寻址4. .2. .2 操作数寻址方式操作数寻址方式（1） 寄存器直接寻址寄存器直接寻址（2 2） 寄存器间接寻址寄存器间接寻址 OP Mode I Rn 15 65 4 32 0 地址字段给出寄存器编号，寄存器 的内容就是操作数。 Mode寻址方式码 ， I间址位 当 ModeMode0000 ，I=0I=0时为直接

19、寻址 操作数S=S=（Rn)Rn) 寄存器的内容为操作数的地址 Mode00 00 ，I=1I=1，有效地址E E（RnRn） 若Rn字长32位，在指令中只用6 位可得到232 的寻址范围。 4. .2. .2 操作数寻址方式操作数寻址方式 5变址寻址和变址间接寻址变址寻址和变址间接寻址（1）将变址值与形式地址进行加法运算而得到有效地址的寻址方式。 变址寄存器：寄存变址值的寄存器 OP Mode Rx D E(Rx)D （I=0） D为形式地址（补码表示的正或负整数） (Rx)为变址值（2）变址间接寻址）变址间接寻址（先变址后间址）（先变址后间址）20002020205020702002012

20、0220320002020205020700号设备服务程序号设备服务程序1号设备服务程序号设备服务程序2号设备服务程序号设备服务程序3号设备服务程序号设备服务程序E(Rx)D) 变址间址的应用实例 ： 无条件转向含有设备码的服务程序人口JMP 200，AC2；(AC2)设备码4. .2. .2 操作数寻址方式操作数寻址方式6 相对寻址相对寻址以 称PC 为为 相变 对址 寻器 址的变址 ，E(PC)D D可正可负，(PC)是下条指令的地址。4. .2.2 操作数寻址方式操作数寻址方式7基址寻址基址寻址将基址寄存器的内容和指令提供的位移量相加而得到E。 基值寻址与变址寻址的基值寻址与变址寻址的不

21、同不同之处：之处：变址寻址变址寻址在于实现程序块的规律变化。基址寻址基址寻址可以扩大寻址范围（整个主存范围）。4. .2.2 操作数寻址方式操作数寻址方式8块寻址方式块寻址方式用一条指令实现一块数据的传送。（1）好处：速度快（节省多次取指时间） （2）数据块长度的指定方法：指令中划出字段指出长度； 指令格式中指出数据块的首地址和末地址； 由块结束字符指出数据块长度（适用于传送可变长度的数据块） 4. .2. .2 操作数寻址方式操作数寻址方式9. 段寻址方式段寻址方式 将段寄存器的基地址左移4位与偏移量相加形成内 存地址的寻址方式。存储器物理地址190000段寄存器1500 图4.7段寻址方式

22、逻辑地址1504.2.3 寻址方式举例寻址方式举例1 PDP/11 系列机的寻址方式系列机的寻址方式 寻址名称寻址名称有效地址有效地址E E直直接接型型寄存器型寄存器型000ER RRn寄存器寄存器R Rn的内容是操作数，相当于直接地址的内容是操作数，相当于直接地址自增型自增型010E（R R）；（）；（R R）2 2R R(Rn)寄存器寄存器R Rn的内容是操作数地址，然后递增寄存的内容是操作数地址，然后递增寄存器的内容器的内容自减型自减型100（R R）2 2R R；E E（R R）( (R Rn)先递减寄存器先递减寄存器R Rn的内容，然后作为操作数的地的内容，然后作为操作数的地址址变址

23、型变址型110（PCPC）2 2PCPC；E（PCPC）（）（R R）；）；X(Rn)寄存器寄存器R Rn的内容与本指令下一单元所存的数相的内容与本指令下一单元所存的数相加，作为操作数的地址加，作为操作数的地址间间接接型型001E（R R）Rn或或( (R Rn)寄存器寄存器R Rn的内容作为操作数地址，相当于间接的内容作为操作数地址，相当于间接地址地址011E（R R）；（）；（R R）2 2R R(Rn)+寄存器寄存器R Rn的内容作为操作数地址的地址，然后的内容作为操作数地址的地址，然后递增寄存器内容递增寄存器内容101（R R）2 2R R；E E（R R）( (R Rn)寄存器寄存器

24、R Rn的内容先递减，然后作为操作数地址的内容先递减，然后作为操作数地址的地址的地址111（PCPC）2 2PCPC；E（R R）（）（PCPC）；X(RX(Rn)寄存器寄存器( (R Rn)的内容与本指令下一单元中的内容的内容与本指令下一单元中的内容相加，作为操作数地址的地址相加，作为操作数地址的地址程程序序计计数数器器型型立即型立即型010（PCPC）2 2PCPC；E（PCPC）# n指令下一个单元是操作数指令下一个单元是操作数绝对型绝对型011（PCPC）2 2PCPC；E（PCPC） # A指令下一个单元内容是操作数的地址指令下一个单元内容是操作数的地址相对型相对型110（PCPC）

25、2 2PCPC；(PC)（PCPC）2 2E EA指令下一个单元内容与指令地址加指令下一个单元内容与指令地址加4 4的数相加，的数相加，其和作为操作数地址其和作为操作数地址相对间接型相对间接型111（PCPC）2 2PCPC；E(PC)(PC)（PCPC）2 2A指令下一个单元内容与指令地址加指令下一个单元内容与指令地址加4 4的数相加，的数相加，其和作为操作数地址的地址其和作为操作数地址的地址寻址名称寻址名称寻址寻址特征值特征值有效地址有效地址E E汇编格式汇编格式说明说明寄存器间接寄存器间接自增间接自增间接自减间接自减间接变址间接变址间接001E（R R）Rn或或( (R Rn)寄存器寄存

26、器R Rn的内容作为操作数地址，相当于间接的内容作为操作数地址，相当于间接地址地址011E（R R）；（）；（R R）2 2R R(Rn)+寄存器寄存器R Rn的内容作为操作数地址的地址，然后的内容作为操作数地址的地址，然后递增寄存器内容递增寄存器内容101（R R）2 2R R；E E（R R）( (R Rn)寄存器寄存器R Rn的内容先递减，然后作为操作数地址的内容先递减，然后作为操作数地址的地址的地址111（PCPC）2 2PCPC；E（R R）（）（PCPC）；X(RX(Rn)寄存器寄存器( (R Rn)的内容与本指令下一单元中的内容的内容与本指令下一单元中的内容相加，作为操作数地址的

27、地址相加，作为操作数地址的地址寄存器间接寄存器间接自增间接自增间接自减间接自减间接1 PDP/11 系列机的寻址方式系列机的寻址方式 4.2.3 寻址方式举例寻址方式举例 典型的寄存器寻址方式，寻址特征位有3位， Rn指向R0R6时，寻址方式有8种； Rn指向R7（程序计数器）时，另有4种寻址方式。4.2.3 寻址方式举例寻址方式举例 2 Pentium机的寻址方式机的寻址方式（1 1） 实地址模式实地址模式 段地址左移左移4 4位加位加1616位偏移地址位偏移地址形成2020位的物理地址位的物理地址。 （2 2） 保护模式保护模式位物理地址位段地址加段内偏移3232MMU 2 Pentium

28、机的寻址方式机的寻址方式 （3） Pentium寻址方式序号寻址方式名称有效地址E算法说明（1）立即操作数在指令中（2）寄存器操作数在某寄存器内，指令给出寄存器号（3）直接E=DispDisp为偏移量（4）基址E=(B)B为基址寄存器（5）基址+偏移量E=(B)+Disp（6）比例变址+偏移量E=(I)S+DispI为变址寄存器，S为比例因子(1, 2, 4, 8)（7）基址+变址+偏移量E=(B)+(I)+Disp（8）基址+比例变址+偏移量E=(B)+(I)S+Disp（9）相对相对地址（PC）+DispPC为程序计数器或当前指令指针寄存器立即寻址 立即数8位或16位或32位。 寄存器寻址

29、 通用寄存器的位数是32位（如EAX）、16位（如AX）、或8位（如AL）。直接寻址（偏移量寻址） 偏移量：8位、16位或32位 基址寻址 E=（B）。 BBH，BL或BX或 EBX 基址+偏移量寻址 E=(I)SDisp I 变址器，S比例因子（1，2，4，8） 基址+变址+偏移量 比例寻址+偏移量寻址 E=(I)SDisp I 变址器，S比例因子（1，2，4，8） E=(B)(I)Disp 基址+比例变址+偏移量 E=(B)(I)SDisp 相对 相对地址E=(PC)+Disp 用(EIP)Disp 或(IP)Disp形成CS段内偏移， 适用于转移控制类指令。【例4.3】一种二地址R-S型

30、指令的结构如下所示： OP 通用寄存器 I X 偏移量D 其中I为间接寻址标志位，X为寻址模式字段，D为偏移量字段。通过I，X，D的组合，可构成如下表所示的寻址方式。6位 4位 1位 2位 16位 寻址方寻址方式式IX有效地址有效地址E算法算法说明说明（1）000ED（2）001E（PC）DPC为程序计数器为程序计数器（3）010E（R2）DR2为变址寄存器为变址寄存器（4）111E（R3）（5）100E（D）（6）011E（R1）DR1为基址寄存器为基址寄存器解解 （1）直接寻址 （2）相对寻址 （3）变址寻址 （4）寄存器间接寻址 （5）间接寻址 （6）基址寻址 请请写写出出表表中中 6种

31、种寻寻址址方方式式的的名名称称4. .3 堆栈堆栈l概念概念l4. .3. .1 寄存器堆栈寄存器堆栈l4. .3. .2 存储器堆栈存储器堆栈l 4. .3. .3 堆栈的应用堆栈的应用 4. .3 堆栈堆栈 1 堆栈（stack） 按后进先出（LIFO）或先进后出（FILO）存入或取出信息的存储区。 2 术语 栈项 进栈 出栈 栈顶元素 堆栈中一个单元的元素（数据）数据按顺序存入堆栈。也称为压栈（PUSH） 栈项按与进栈相反的顺序从堆栈中读出。也称为弹出（POP） 最迟进栈或即将出栈的元素 4. .3. .1 寄存器堆栈寄存器堆栈 1 硬件组成硬件组成 在CPU中设置一组专门的具有对位串联

32、的寄存器组成堆栈 有+1/-1功能的计数器及判断“栈满”和“栈空”的电路 2 堆栈指令堆栈指令：PUSH、POP 4. .3. .1 寄存器堆栈寄存器堆栈3 进出栈操作进出栈操作 4 寄存器堆栈的特点寄存器堆栈的特点 只有一个出入口，后进先出，堆栈容量固定。 4. .3. .2 存储器堆栈存储器堆栈 1存储器堆栈的构成存储器堆栈的构成 在内存开辟专用的存储区（1个或多个）作为堆栈区； 设置堆栈指针SP（堆栈指示器、堆栈计数器） 提供进栈或出栈的内存地址。 堆栈指令： PUSH、POP（或MOV） 2 存储器堆栈的工作方式存储器堆栈的工作方式 （2）从低地址开始生成）从低地址开始生成 建栈 栈底

33、 1SP。 栈底堆栈区中地址最小的单元 进栈 先(SP)+1SP，然后，数据Msp 出栈 先(M)sp读出，然后，(SP)1 SP 4. .3. .3 堆栈的应用堆栈的应用 1. 堆栈处理器的计算机，用堆栈为零地址的指令提供操作数； 2用堆栈存放返主地址，实现子程序的嵌套和递归调用； 3用堆栈存放多级中断的有关信息，实现多级中断的嵌套。好处：使用方便，准确无误。 l4. .4. .1 指令的分类指令的分类l4. .4. .2 复杂指令系统计算机（复杂指令系统计算机（CISC）l4. .4. 3 精简指令系统（精简指令系统（RISC）4. .4 CISC和和RISC的指令系统的指令系统4. .4

34、. .1 指令的分类指令的分类 按指令的功能划分按指令的功能划分 1数据传送指令 存数取数指令，传送指令，成组传送，字节交换，清累加器AC等 。 功能：M M、R R、M R 2. 算逻运算指令功能：实现数据信息的加工，代码的转换、判断等。 . 算术运算指令定浮点加减乘除、求补、算术移位、比较等。 逻辑运算指令、逻辑移位、装配、拆卸等。 4. .4.1 指令的分类指令的分类3. 程序控制指令 功能：控制指令的转向 包括：无条件转移，条件转移，转子和返主，中断返回等指令。 4. I/O指令 功能： 控制外设的动作； 测试外设的工作状态； 实现外设与主机间的数据交换。5. 其他指令 PSW的置位、

35、复位，测试指令，堆栈指令，特权指令，停机指令，控制台指令等。4. .4. .2 复杂指令系统计算机复杂指令系统计算机CISC 1 CISC指令系统的主要特点指令系统的主要特点 指令系统复杂、庞大、指令数目多 ；例如：VAX11/780机：303条指令 指令格式多，寻址方式多； 例如：VAX11/780机18种寻址方式 指令字长不固定，各种指令使用频率相差很大。 4. .4.2 复杂指令系统计算机复杂指令系统计算机CISC 2. CISC的优点的优点 使目标程序得到优化，例如数组运算指令； 给高级语言提供更好的支持； 功能接近高级语言语句的指令提高编译效率。 复杂指令对操作系统提供强有力的支持

36、。 3. CISC的缺点的缺点 CISC的结构复杂，研制周期长，硬件成本高，硬件资源浪费。 4. .4.3 精简指令系统计算机精简指令系统计算机RISC 1RISC指令系统的特点指令系统的特点 选用的是使用频率最高的一些简单指令； 指令长度固定，指令格式及寻址方式种类少； 只有取数/存数指令访问存储器，其余指令的操作 都在寄存器之间进行 ； 大多数指令可在一个机器周期内完成 。4. .4. .3 精简指令系统计算机精简指令系统计算机RISC 2RISC机器的实例机器的实例 指令条数指令条数指 令 格指 令 格式式寻址方式寻址方式通用寄存器通用寄存器RISC机机3922138SPARC机机753

37、41201364. .4.3 精简指令系统计算机精简指令系统计算机RISC 3某些指令的替代实现某些指令的替代实现指令指令功能功能替代指令替代指令实现方法实现方法MOVE寄存器间传送数据ADD（加法）Rs+R0RdINC寄存器内容加1ADD（加法）立即数imm13=1，作为操作数DEC寄存器内容减1SUB（减法）立即数imm13=1，作为操作数NEG取负数SUB（减法）R0RsRdNOT取反码XOR（异或）立即数imm13= 1，作为操作数CLR清除寄存器ADD（加法）R0+R0Rd第第4 4章章 典型习题与解答典型习题与解答1.ASCII码是7位，如果设计主存单元字长为31位，指令字长为12

38、位，是否合理？为什么？答：答： 不合理。因为主存单元字长为31位，则一个存储单元可存放4个ASCII码，余下3位不能用，同样，12位的指令码存放在字长31位的主存单元中，也造成19位不能用而浪费了存储空间。合理的设计可考虑主存单元字长为14位，则它正好存放二个ASCII码；此时，指令字长也应设计成14位，使主存单元正好存放一条指令，这就不会造成存储器单元中某些位的浪费。2.假设某计算机指令长度为20位，具有双操作数、单操作数、无操作数三类指令形式，每种操作数地址规定用6位表示。问：(1) 若操作码字段固定为8位，现已设计出m条双操作数指 令，n条无操作数指令，在此情况下，这台计算机最多可以 设

39、计出多少条单操作数指令？(2)当双操作数指令条数取最大值，且在此基础上单操作数指令条数也取最大值时，则在此情况下，这台计算机最多可以设计出多少条无操作数指令？ 解解： （1）OP固定为8位，则最多可设计出K条单操作数指令： K=28(m+n） (2) 设双操作数指令格式为： OP A1 A2 19 1211 6 5 0OP为8位，用00H FEH共281=255种组合码作为双操作数的操作码。 单操作数指令格式为 1111 1111OP A 19 1211 65 0当IR19 IR12=11111111时表示不是双操作数指令，IR11 IR6=008 768共26 1=63种组合作为单操作数指令

40、的操作码。 无操作数指令的格式可为 11111111111111 OP 19 65 0故无操作数指令最多为26=64种。3.某台计算机字长为16位，主存容量为64K字，采用单字长单地址指令，共有64条指令。试采用4种寻址方式（直接、间接、变址、相对）设计指令格式。解解 64条指令需占用操作码字段（OP）6位，这样，指令字余下10位。为了覆盖主存64K字的地址空间，设寻址模式（X）为2位，形式地址（D）为8位 。其指令格式如下 OP X D 15 109 87 0寻址模式X定义如下 X=00 直接寻址，有效地址E=D（256单元） X=01 间接寻址，有效地址E=(D) （64K）X=10 变址寻址，有效地址E=(R)+ D （64K） X=11 相对寻址，有效地址E=(PC)+ D （64K） R为变址寄存器（16位），PC为程序计数器（16位）