第4章指令系统

1、第四章第四章 指令系统指令系统 4.1低级语言与硬件结构的关低级语言与硬件结构的关系系l计算机语言具有计算机语言具有高级语言高级语言和和低级语言低级语言之分之分 机器语言（二进制语言）、汇编语言（符号语言）；机器语言（二进制语言）、汇编语言（符号语言）； 面向机器编写，不可移植；面向机器编写，不可移植； 可最大程度挖掘机器功能。可最大程度挖掘机器功能。 C、Fortran、Java、Pascal等；等； 方便描述求解过程，执行性能依赖编译程序；方便描述求解过程，执行性能依赖编译程序； 与指令系统无关，故可移植。与指令系统无关，故可移植。低级语言低级语言-接近机器硬件的语言接近机器硬件的语言高级

2、语言高级语言-接近自然语言的语言接近自然语言的语言表表4.1 4.1 高级语言与低级语言的性能比较高级语言与低级语言的性能比较比较内容比较内容高级语言高级语言低级语言低级语言1对程序员的训练要求对程序员的训练要求(1)通用算法通用算法(2)语言规则语言规则(3)硬件知识硬件知识有有较少较少不要不要有有较多较多要要2对机器独立的程度对机器独立的程度独立独立不独立不独立3编制程序的难易程度编制程序的难易程度易易难难4编制程序所需时间编制程序所需时间短短较长较长5程序执行时间程序执行时间较长较长短短6编译过程中对计算机资源的要求编译过程中对计算机资源的要求多多少少指令1 机器指令2指令系统3指令字、

3、机器字字长4指令系统指令系统中的基本概念中的基本概念5 计算机执行某种操作的命令计算机执行某种操作的命令 计算机可直接识别并执行，它的表现形式是二进制计算机可直接识别并执行，它的表现形式是二进制编码。编码。 一台计算机中所有机器指令的集合。一台计算机中所有机器指令的集合。 指令系统指令系统中的基本概念中的基本概念a=x+yADD x,yMOV a,x指令指令机器指令机器指令指令系统指令系统 一个指令字中包含二进制代码的位数。一个指令字中包含二进制代码的位数。计算机能直接处理的二进制数据的位数，它决定了计算机能直接处理的二进制数据的位数，它决定了 计算机的运算精度。计算机的运算精度。其中其中L为

4、指令字长度，为指令字长度，N为机器字长度为机器字长度 指令系统指令系统中的基本概念中的基本概念指令字长度指令字长度机器字长度机器字长度4.2 指令格式指令格式 指令格式即指令字用二进制代码表示的结指令格式即指令字用二进制代码表示的结构形式，由操作码字段和地址码字段组成。构形式，由操作码字段和地址码字段组成。 操作码字段操作码字段OPOP地址码字段地址码字段 A A表征指令的操表征指令的操作特性与功能作特性与功能 指定参与操作的指定参与操作的操作数的地址操作数的地址 操作码操作码l操作码是指明指令操作性质的命令码。它提供指操作码是指明指令操作性质的命令码。它提供指令的操作控制信息。令的操作控制信

5、息。 例，加法、减法、乘法、取数、存数等。l一般来说，一个一般来说，一个n n位的操作码最多能表示位的操作码最多能表示2 2n n条指令。条指令。操作码字段操作码字段 OP地址码字段地址码字段 A 地址码地址码操作码操作码A1A2A3操作码操作码A1A2操作码操作码A操作码操作码三地址指令三地址指令二地址指令二地址指令单地址指令单地址指令 零地址指令零地址指令指定参与操作的操作数的地址指定参与操作的操作数的地址存储器存储器寄存器寄存器l三地址指令格式：三地址指令格式：l三地址指令功能为：三地址指令功能为： (A1) OP (A2) A3 A1为被操作数地址，也称源操作数地址；为被操作数地址，也

6、称源操作数地址； A2为操作数地址，也称终点操作数地址；为操作数地址，也称终点操作数地址； A3为存放结果的地址。为存放结果的地址。 lA1 、A2 、A3可以是存储器地址，也可是寄存器地可以是存储器地址，也可是寄存器地址。址。OPOPA A1 1A A2 2A A3 3三地址指令三地址指令结果结果二地址指令二地址指令l二地址指令的格式为：二地址指令的格式为： 二地址指令功能为：二地址指令功能为： (A1) OP (A2) A1OPOPA A1 1A A2 2二地址指令二地址指令OPOPA A1 1A A2 2 存储器存储器存储器型（存储器型（S-S型型）指令：）指令：A1、A2均为存储器均为

7、存储器地址的二地址指令。地址的二地址指令。 寄存器寄存器寄存器型（寄存器型（R-R型型）指令：）指令： A1、A2均为寄存器均为寄存器地址的二地址指令。地址的二地址指令。R-R型指令执行速度快。型指令执行速度快。 寄存器寄存器存储器型（存储器型（R-S型型）指令：）指令： A1、A2中一个是寄中一个是寄存器地址，另一个是存储器地址的二地址指令。存器地址，另一个是存储器地址的二地址指令。 二地址指令的几种形式二地址指令的几种形式A1 A1 、A2A2可以是存储器地址，也可是寄存器地址可以是存储器地址，也可是寄存器地址一地址指令（单地址指令）一地址指令（单地址指令）lA A可以是存储器地址，也可是

8、寄存器地址。可以是存储器地址，也可是寄存器地址。l一地址指令有两种情况一地址指令有两种情况 单操作数指令单操作数指令 双操作数指令双操作数指令OPOPA A零地址指令零地址指令l零地址指令中只有操作码而无地址码，其指令格式零地址指令中只有操作码而无地址码，其指令格式为：为：l不需操作数的控制型指令如不需操作数的控制型指令如HALTHALT、WAITWAIT、NOPNOP等。等。OPOP指令助记符指令助记符 l指令助记符：指令助记符：硬件只能识别硬件只能识别1和和0，所以须采用二进制操，所以须采用二进制操作码，为便于书写和阅读程序，每条指令用作码，为便于书写和阅读程序，每条指令用3个或个或4个英

9、个英文缩写字母来表示。文缩写字母来表示。典典 型型 指指 令令指令助记符指令助记符二进制操作码二进制操作码加法加法ADD001减法减法SUB010传送传送MOV011跳转跳转JMP100转子转子JSR101存储存储STR110读数读数LDA111表表4.2典型的指令助记符典型的指令助记符例例1指令格式如下所示，其中指令格式如下所示，其中OP为操作码，试分析指令为操作码，试分析指令格式的特点。格式的特点。 （假设机器字长（假设机器字长16位）位） 15 9 7 4 3 0OP-源寄存器源寄存器目标寄存器目标寄存器解解：（1）单字长二地址指令。）单字长二地址指令。 （2）操作码字段）操作码字段OP

10、可以指定可以指定27128条指令。条指令。 （3）源寄存器和目标寄存器都是通用寄存器，所以是）源寄存器和目标寄存器都是通用寄存器，所以是 RR型指令，两个操作数均在寄存器中。型指令，两个操作数均在寄存器中。例例2 指令格式如下所示，试分析指令格式特点。指令格式如下所示，试分析指令格式特点。 15 10 7 4 3 0OP-源寄存器变址寄存器位移量(16位)（1）双字长二地址指令双字长二地址指令（2）操作码字段操作码字段OP为为6位，可以指定位，可以指定64种操作种操作（3）一个操作数在源寄存器（共一个操作数在源寄存器（共16个），另一个操作数在存个），另一个操作数在存储器中（由变址寄存器和位移

11、量决定）储器中（由变址寄存器和位移量决定）,所以是所以是RS指令指令指令和数据的寻址方式 l 寻址方式：形成指令或操作数地址的方式寻址方式：形成指令或操作数地址的方式 l 指令寻址方式：用于形成指令在内存中的地址指令寻址方式：用于形成指令在内存中的地址l 数据寻址方式数据寻址方式：用于形成操作数的地址：用于形成操作数的地址指令的寻址方式 顺序寻址方式顺序寻址方式 PC PC1PC1PC 设置程序计数器（或称指令计数器）设置程序计数器（或称指令计数器）PCPC，每执行一条指，每执行一条指令，计数器加令，计数器加1 1； 把计数器内容作为指令的存储地址把计数器内容作为指令的存储地址。 指令的顺序寻

12、址方式 PC=1PC=2指令的寻址方式指令的寻址方式 跳跃寻址方式跳跃寻址方式 当程序转移时，修改当程序转移时，修改PCPC的内容的内容 下条指令的地址，不是计数器给出的，而是当前指令指下条指令的地址，不是计数器给出的，而是当前指令指定的。定的。 程序跳跃后，按新的指令地址开始顺序执行，指令计数程序跳跃后，按新的指令地址开始顺序执行，指令计数器的内容相应改变器的内容相应改变。指令的跳跃寻址方式(程序的控制转移)操作数寻址方式操作数寻址方式l操作数的寻址操作数的寻址：把操作数的：把操作数的形式地址形式地址，根据间址和，根据间址和变址等组合变换为操作数变址等组合变换为操作数有效地址有效地址的过程。

13、的过程。 形式地址形式地址：指令中给出的地址。：指令中给出的地址。( (不一定是实际地不一定是实际地址址) ) 有效地址有效地址：操作数的实际地址。如寄存器编号或：操作数的实际地址。如寄存器编号或存储单元地址。存储单元地址。操作数寻址方式操作数寻址方式l单地址指令单地址指令l单地址指令结构为例单地址指令结构为例：形式地址形式地址A A字段字段有效地址有效地址算法算法X X字段字段间址间址I I字段字段操作码操作码OPOP操作码字段操作码字段地地 址址 码码 字字 段段操作数操作数寻址方式特征位寻址方式特征位指令的地址字段直接给出操作数本身指令的地址字段直接给出操作数本身DataA操作码操作码

14、形式地址形式地址例例2：Intel 8086指令指令： MOV AX，2000H ；将数据；将数据2000H存入累加器存入累加器AX中中机器码：机器码：立即数寻址特征立即数寻址特征立即寻址立即寻址直接寻址直接寻址例：例：Intel 8086指令：指令： MOV AX，2000H 将有效地址为将有效地址为2000H2000H的内存单元的内容读入的内存单元的内容读入AXAX中。中。指令字中直接给出操作数在内存的地址。指令字中直接给出操作数在内存的地址。形式地址有效地址形式地址有效地址AEA直接寻址特征直接寻址特征间接寻址间接寻址l间接寻址意味着指令的地址码部分给出的地址间接寻址意味着指令的地址码部

15、分给出的地址A不是不是操作数的地址，而是存放操作数地址的主存单元的操作数的地址，而是存放操作数地址的主存单元的地址，简称操作数地址的地址。地址，简称操作数地址的地址。 至少需要两次访问主存储器才能取出操作数至少需要两次访问主存储器才能取出操作数EA（A）间接寻址特征间接寻址特征寄存器寻址寄存器寻址例：例： Intel 8086指令：指令： MOV AL，BL ；ALBLEA Ri DataRi寄存器寻址方式寄存器寻址方式：操作数放在：操作数放在CPUCPU的通用寄存器中。的通用寄存器中。此时指令中给出的操作数地址是通用寄存器的此时指令中给出的操作数地址是通用寄存器的编号编号。寄存器寻址特征寄存

16、器寻址特征寄存器间接寻址寄存器间接寻址寄存器间接寻址方式寄存器间接寻址方式：指令格式中的寄存器内容不是：指令格式中的寄存器内容不是操作数，而是操作数的地址，该地址指明的操作数在操作数，而是操作数的地址，该地址指明的操作数在内存中。内存中。EA （ Ri） Data( Ri) 例：例：Intel 8086指令：指令： MOV AL，BX 。 设设 BX2000H，(2000H)80H，则，则 AL80H寄存器间接寻址特征寄存器间接寻址特征偏移寻址偏移寻址直接寻址和寄存器间接寻址方式的结合直接寻址和寄存器间接寻址方式的结合有效地址由两部分组成：形式地址有效地址由两部分组成：形式地址A，某个专用寄，

17、某个专用寄存器内的值。存器内的值。EA=(R) +A三种偏移寻址是相对寻址、基址寻址、变址寻址。三种偏移寻址是相对寻址、基址寻址、变址寻址。相对寻址方式相对寻址方式 程序计数器程序计数器PCPC的内容加上地址字段中的内容加上地址字段中A A的值形成指令的值形成指令的目的地址的目的地址EA （PC）A 采用相对寻址方式，程序员无须采用相对寻址方式，程序员无须用指令的绝对地址编程，所编程序用指令的绝对地址编程，所编程序可以放在内存任何地方可以放在内存任何地方。A可正可负！可正可负！注意：注意：PC程序计数器是隐含引用程序计数器是隐含引用指令的跳跃寻址方式指令的跳跃寻址方式(程序的控制转移程序的控制

18、转移)基址寻址基址寻址基准地址放在基准地址放在专用的基址寄存器专用的基址寄存器RbRb中，指令的地址中，指令的地址码部分给出偏移量码部分给出偏移量A A，最后操作数的有效地址为：，最后操作数的有效地址为：EAEA( (RbRb) )A A。寻址特征寻址特征优点：增加内存的访问空间优点：增加内存的访问空间变址寻址变址寻址基准地址基准地址A A与与CPUCPU内某内某专用变址寄存器专用变址寄存器RxRx的内容相加，的内容相加，得有效地址：得有效地址：EAEAA A(Rx)(Rx)。 最典型的应用是将地址最典型的应用是将地址A A作为基准地址，而将变址寄存器作为基准地址，而将变址寄存器RxRx中的内

19、容作为修改量，实现程序块的规律性变化。中的内容作为修改量，实现程序块的规律性变化。段寻址方式 l段寻址方式的实质还是基址寻址段寻址方式的实质还是基址寻址l微机中采用，目的是扩大寻址范围。微机中采用，目的是扩大寻址范围。堆栈寻址堆栈寻址 堆栈有寄存器堆栈和存储器堆栈两种形式，它们堆栈有寄存器堆栈和存储器堆栈两种形式，它们都以先进后出的原理存储数据。都以先进后出的原理存储数据。 数据的存取都与栈顶打交道，需要堆栈指示器（寄数据的存取都与栈顶打交道，需要堆栈指示器（寄存器）。存器）。l一地址指令的格式为：一地址指令的格式为：l双操作数指令双操作数指令：另一个操作数通常采用隐含寻址的方：另一个操作数通

20、常采用隐含寻址的方法，将第二操作数隐含在约定的法，将第二操作数隐含在约定的累加器累加器ACAC中，其指令中，其指令功能为：功能为：(AC)OP(A)AC(AC)OP(A)AC。OPA隐含寻址隐含寻址在指令中不明显地给出操作数的地址在指令中不明显地给出操作数的地址操作数寻址方式操作数寻址方式寻址方式寻址方式 算法算法 隐含寻址隐含寻址 操作数在专用寄存器操作数在专用寄存器 立即寻址立即寻址 操作数操作数=A（A为形式地址）为形式地址） 直接寻址直接寻址 EA=A （EA为有效地址）为有效地址） 间接寻址间接寻址 EA=(A) 寄存器寻址寄存器寻址 EA=R 寄存器间接寻址寄存器间接寻址 EA=(

21、R) 偏移寻址偏移寻址 EA=A+(R) 段寻址段寻址 EA=A+(R) 堆栈寻址堆栈寻址 EA=栈顶栈顶OP-通用寄存器通用寄存器IX偏移量偏移量D 其中其中I为间接寻址标志位，为间接寻址标志位，X为寻址模式字段，为寻址模式字段，D为偏移量字段为偏移量字段。通过。通过I，X，D的组合，可构成下表所示的寻址方式。的组合，可构成下表所示的寻址方式。 请写出六种寻址方式的名称。请写出六种寻址方式的名称。寻址方式寻址方式IX有效地址有效地址E算法算法说明说明(1)000E=D(2)001E=(PC)+DPC为程序计数器为程序计数器(3)010E=D+(R2) R2为变址寄存器为变址寄存器(4)111

22、E=(R3)(5)100E=(D)(6)011E=(R1)+DR1为基址寄存器为基址寄存器例例3一种二地址一种二地址RS型指令的结构如下所示：型指令的结构如下所示：6位位 4位位 1位位2位位 16位位解解：（1 1）直接寻址）直接寻址（2 2）相对寻址）相对寻址（3 3）变址寻址）变址寻址（4 4）寄存器间接寻址）寄存器间接寻址（5 5）间接寻址）间接寻址（6 6）基址寻址）基址寻址某机指令格式如图所示：某机指令格式如图所示：图中图中X为寻址特征位，且为寻址特征位，且X=0时，不变址；时，不变址；X=1时，用时，用变址寄存器变址寄存器X1进行变址；进行变址；X=2时，相对寻址。设（时，相对寻

23、址。设（PC）=1234H，（，（X1）=0037H, 请确定下列指令的有效地址。请确定下列指令的有效地址。 (1)2493H (2)3214H (3) 4530HOP XD0011 0010 00010100X2，相对寻址。有效地址，相对寻址。有效地址=(PC)D1234H0014H1248H0093H0067HX=0，E=D=93H0010 0100 1001 00110100 0101 0011 0000X=1，E=30H+(X1)151098 70复杂指令系统计算机复杂指令系统计算机 CISC （Complex Instruction Set Computer）l靠增强指令的功能，增加

24、指令系统的复杂程度来提高计算机靠增强指令的功能，增加指令系统的复杂程度来提高计算机系统的性能。系统的性能。l特点：特点： (1) (1)指令系统复杂庞大，指令数目一般达指令系统复杂庞大，指令数目一般达200200300300条。条。 (2) (2)指令格式多，指令字长不固定，使用多种寻址方式。指令格式多，指令字长不固定，使用多种寻址方式。 (3) (3)可访存指令不受限制。可访存指令不受限制。 (4) (4)大多数采用微程序控制器。大多数采用微程序控制器。lCISCCISC中，通过增强指令系统的功能，简化了软件，增加了硬中，通过增强指令系统的功能，简化了软件，增加了硬件的复杂程度。然而指令复杂

25、了，指令的执行时间必然加长，件的复杂程度。然而指令复杂了，指令的执行时间必然加长，从而使整个系统的执行时间反而增加从而使整个系统的执行时间反而增加 l20%20%和和80%80%规律：规律：CISCCISC中大约有中大约有20%20%的指令使用频率高，占据的指令使用频率高，占据了了80%80%的处理机时间，而有的处理机时间，而有80%80%的不常用指令只占用处理机的的不常用指令只占用处理机的20%20%时间。时间。 4.5.3 4.5.3 精简指令系统精简指令系统l精简指令集精简指令集计算机计算机RISC（Reduced Instruction Set Computer）靠精简指令系统，简化指令功能及优化的编译程序来