指令系统解析课件

1、第4章 指令系统本章学习内容指令格式寻址方式RISC技术指令系统设计举例10/12/20221南理工紫金学院第4章 指令系统本章学习内容10/10/20221南理工紫4.1 指令系统的基本概念4.1.1、指令与指令系统指令（机器指令）：控制计算机执行某种操作的命令。指令字（指令码）：表示一条指令的一串二进制代码。机器语言：用机器指令设计的编程语言，是计算机硬件实体直接表示控制信息的语言。机器语言程序：用机器语言编制的程序。任何用其它语言编制的程序，都必须经过 “翻译”，翻译为机器语言程序，才能在机器中正确的运行。指令系统（指令集）：一台计算机所能执行的全部指令的集合。10/12/20222南理

2、工紫金学院4.1 指令系统的基本概念4.1.1、指令与指令系统10完善的指令系统应具备的特征 完备性 高效性 规整性 兼容性 10/12/20223南理工紫金学院完善的指令系统应具备的特征 完备性 10/10/20223南操作码：指定指令所要完成的操作；操作数的来源；结果去向；下一条指令的地址。因此，一条指令的基本格式为： 操作码 地址码4.1.2 指令的格式10/12/20224南理工紫金学院操作码：指定指令所要完成的操作；4.1.2 指令的格式10/1四地址指令四地址指令格式： OP A1 A2 A3 A4A1：第一源操作数的地址；A2：第二源操作数的地址；A3：存放操作结果的地址；A4：

3、指示下一条要执行指令的地址。指令功能：(A1)OP(A2)A3；A4指示下条指令地址。一、指令中地址码格式主存地址、寄存器地址、I/O端口地址10/12/20225南理工紫金学院1四地址指令一、指令中地址码格式主存地址、10/10/202三地址指令格式： OP A1 A2 A3A1：第一源操作数的地址；A2：第二源操作数的地址；A3：存放操作结果的地址；指令功能： (A1)OP(A2)A3；程序计数器PC指示下条指令地址。10/12/20226南理工紫金学院2三地址指令10/10/20226南理工紫金学院格式为： OP A1 A2 A1、A2：是操作数所在的地址。指令功能：(A1)OP(A2)

4、A1 或 (A1)OP(A2)A2源地址：仅提供操作数的地址目的地址：既提供一个操作数，又是存放结果的地址。二地址指令的几种形式 存储器存储器型（SS型）指令 寄存器寄存器型（RR型）指令 寄存器存储器型（RS型）指令3二地址指令10/12/20227南理工紫金学院格式为： OP A1 A24一地址指令（单地址指令）格式： OP AA提供操作数的地址。一地址指令有两种情况： 只需一个操作数，其功能为：OP(A)A ，如INC、DEC、NEG等。 涉及双操作数：另一个操作数通常采用隐含寻址的方法，将操作数隐含在约定的累加器AC中，其指令功能为：(AC)OP(A)AC。10/12/20228南理工

5、紫金学院4一地址指令（单地址指令）10/10/20228南理工紫金5零地址指令格式： OP 零地址指令有两种情况： 不需操作数的控制型指令，如HLT、WAIT、NOP等。 堆栈支持的零地址指令：操作数隐含在堆栈中，其地址隐含在SP中。如RET（过程返回）、IRET（中断返回）。10/12/20229南理工紫金学院5零地址指令10/10/20229南理工紫金学院1. 定长编码：所有指令的操作码长度相同。指令译码简单，易于硬件设计。2. 可变长编码：不同指令的操作码长度可以不同，通常采用扩展操作码技术。扩展操作码技术：当指令长度一定时，将操作数地址多的指令选择短的操作码，操作数地址少的指令选择较长

6、操作码。从而在不增加指令长度的情况下扩展操作码长度，使其能表示更多的指令。二、指令中操作码格式10/12/202210南理工紫金学院1. 定长编码：所有指令的操作码长度相同。指令译码简单，易例：设某机的指令长度为16位。操作码为4位，具有三个地址字段，每个地址字段长为4位。要求有15条三地址指令，15条二地址指令， 15条一地址指令和16条零地址指令。15 1211 87 43 0OP A1A2A30000 xxxx xxxx xxxx1110 xxxx xxxx xxxx1111 0000 xxxx xxxx15条三地址指令1111 1110 xxxx xxxx1111 1111 0000

7、xxxx15条二地址指令1111 1111 1110 xxxx15条一地址指令1111 1111 1111 00001111 1111 1111 111116条零地址指令10/12/202211南理工紫金学院例：设某机的指令长度为16位。操作码为4位，具有三个地址字段三、指令字长与机器字长1. 定长指令字指令字长固定结构简单、便于控制，不易扩展，平均指令长度长。2. 变长指令字指令字长可变指令长度为字节的整数倍，如单字长指令、双字长指令、半字长指令等。平均指令长度短，易于扩展，但不同指令执行时间不一致，控制比较复杂。10/12/202212南理工紫金学院三、指令字长与机器字长1. 定长指令字指

8、令字长固定10机器字长 计算机能直接处理的二进制数据的位数 计算机性能的一个重要的指标 指令字长 一条指令中包含二进制代码的位数 取决于操作码的长度、操作数的地址的长度和操作数地址的个数 指令的长度有固定的，也有不固定的。为了充分利用存储空间，指令的长度通常为字节的整数倍。 两者之间没有固定的关系 单字长指令 半字长指令 双字长指令 10/12/202213南理工紫金学院机器字长10/10/202213南理工紫金学院4.1.3 指令的类型 数据传送类指令 用于实现通用寄存器之间、通用寄存器与存储单元之间、存储器不同单元之间的数据传送 运算类指令 算数运算逻辑运算10/12/202214南理工紫

9、金学院4.1.3 指令的类型 数据传送类指令10/10/20 移位类指令 10/12/202215南理工紫金学院 移位类指令 10/10/202215南理工紫金学院程序控制类指令转移类指令 子程序调用与返回指令 输入输出（I/O）类指令输入输出（I/O）类指令完成主机与外围设备间的数据传送 其他指令 10/12/202216南理工紫金学院程序控制类指令10/10/202216南理工紫金学院4.2 寻址方式寻址的基本概念寻址方式操作数的寻址方式：指令的寻址方式:有效地址EA：形式地址：操作数寻址就是按一定的寻址方式由形式地址得到有效地址。形成本条指令的操作数地址的方法形成下一条要执行指令的地址的

10、方法操作数的实际地址。指令字中给定的地址。10/12/202217南理工紫金学院4.2 寻址方式寻址的基本概念形成本条指令的操作数地址的1、立即寻址指令字中的地址码部分直接给出操作数。DATA = A例如：MOV #1000H，RnRn, 操作数在指令字中，取指令时即取出操作数，不必访存取操作数4.2.1、 数据寻址形式地址寻址方式操作码A立即寻址OP例：一地址指令10/12/202218南理工紫金学院1、立即寻址4.2.1、 数据寻址形式地址寻址方式操作码A立2、直接寻址地址码部分直接给出操作数在内存中的有效地址EA。EA = ADATA = (EA) = (A)例如：MOV 1000H,

11、Rn无需计算EA，执行指令时，需一次访存取操作数形式地址寻址方式操作码A直接寻址OPDATA内存10/12/202219南理工紫金学院2、直接寻址形式地址寻址方式操作码A直接寻址OPDATA内存指令字中的地址码部分给出的是操作数地址的地址或是指示操作数地址的地址指示字。EA = (A)DATA = (EA)=( (A) )例如：MOV (1000H), Rn一级间址方式需两次访存才能取得操作数形式地址寻址方式操作码A间接寻址OPEA内存DATA一级间址3、间接寻址10/12/202220南理工紫金学院指令字中的地址码部分给出的是操作数地址的地址或是指示操作数地指令字中的地址码部分给出某一通用寄

12、存器号，该寄存器的内容即为指令所需的操作数。EA = RiDATA = ( Ri )例如：MOV R1, R2操作数在寄存器中，无需访存取操作数，速度快形式地址寻址方式操作码Ri寄存器直接寻址OP4、寄存器直接寻址（寄存器寻址）DATA寄存器组R0Ri10/12/202221南理工紫金学院指令字中的地址码部分给出某一通用寄存器号，该寄存器的内容即为指令字中的地址码部分所指定的寄存器中内容是操作数在内存中的有效地址。EA = ( Ri )DATA = ( Ri )例如：MOV ( R1 ), R2取操作数时需要一次访存EADATA内存形式地址寻址方式操作码Ri寄存器间接寻址OP5、寄存器间接寻址

13、寄存器组Ri10/12/202222南理工紫金学院指令字中的地址码部分所指定的寄存器中内容是操作数在内存中的有将程序计数器 PC 的当前内容与指令中给出的形式地址A相加形成操作数在内存中的有效地址。EA = ( PC ) + ADATA = ( ( PC ) + A )除了用于访问操作数外，常被用于转移类指令。EA内存DATA形式地址寻址方式操作码 A相对寻址OPXPC6、相对寻址10/12/202223南理工紫金学院将程序计数器 PC 的当前内容与指令中给出的形式地址A相加形地址码部分所指定的变址寄存器的内容与指令字中的形式地址A相加形成操作数在内存中的有效地址。EA = ( Ri ) +

14、ADATA = ( ( Ri ) + A )例如：MOV addr( Ri ) , R2需计算EA，取操作数需访存一次，主要用于处理数组EA内存DATA形式地址寻址方式操作码 Ri A变址寻址OPX7、变址寻址10/12/202224南理工紫金学院地址码部分所指定的变址寄存器的内容与指令字中的形式地址A相加地址码部分所指定的基址寄存器的内容与指令字中的形式地址A相加形成操作数的有效地址。EA = ( Rb ) + ADATA = ( ( Rb ) + A )例如：MOV addr( Rb ) , R2主要用于为程序或数据分配存储空间EA内存DATA形式地址寻址方式操作码 Rb A基址寻址OPX

15、8、基址寻址10/12/202225南理工紫金学院地址码部分所指定的基址寄存器的内容与指令字中的形式地址A相加地址码部分所指定的基址寄存器的内容、变址寄存器的内容及指令字中的形式地址A相加形成操作数的有效地址。10、其他寻址方式扩展寻址、页面寻址、堆栈寻址、相联寻址等。9、基址加变址寻址10/12/202226南理工紫金学院地址码部分所指定的基址寄存器的内容、变址寄存器的内容及指令字寻址方式操作数在哪有效地址EA立即寻址直接寻址间接寻址寄存器寻址寄存器间接寻址相对寻址基址寻址变址寻址基址加变址寻址指令字中无内存中EA=形式地址A内存中EA=( A )寄存器中EA= Ri 内存中EA=( Ri

16、)内存中EA=(PC) +A内存中EA=( Rb ) +A内存中EA=( Ri ) +A内存中EA= ( Rb ) +( Ri ) +A10/12/202227南理工紫金学院寻址方式操作数在哪有效地址EA立即寻址直接寻址间接寻址寄存器4.2.2、指令寻址顺序寻址：跳越寻址：PC增量PC通过修改PC的内容实现转移。INC 1000ADD 1001DEC 1200JMP 7ADD 2000SUB 2001INCNEG 2500.0123456789 0+1指令地址寻址方式指令地址指令PC顺序寻址12顺序寻址3顺序寻址47跳越寻址顺序寻址810/12/202228南理工紫金学院4.2.2、指令寻址顺

17、序寻址：PC增量PC通过修改PC的4.3 RISC技术1. 复杂指令系统计算机 CISC（Complex Instruction Set Computer）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。2. 精简指令系统计算机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提高计算机系统的性能。10/12/202229南理工紫金学院4.3 RISC技术1. 复杂指令系统计算机 CISC（RISC 的主要特征选用使用频度较高的一些 简单指令，复杂指令的功能由简单指令来组合指令长度固定、指令格式种类少、寻址

18、方式少只有LOAD / STORE 指令访存CPU中有多个 通用寄存器采用流水技术，一个时钟周期内完成一条指令采用组合逻辑控制器采用优化的编译程序CISC 的主要特征系统指令复杂庞大，各种指令使用频度相差大指令长度不固定、指令格式种类多、寻址方式多访存指令不受限制CPU 中设有专用寄存器 大多数指令需要多个时钟周期执行完毕采用微程序控制器难以用优化编译 生成高效的目的代码10/12/202230南理工紫金学院RISC 的主要特征CISC 的主要特征10/10/20224.4 指令系统设计举例JU-C1模型机指令系统JU-C1模型机汇编程序设计举例10/12/202231南理工紫金学院4.4 指

19、令系统设计举例JU-C1模型机指令系统10/10/4.4.1 JU-C1模型机指令系统 1、 JU-C1模型机的寄存器 模型机CPU字长16位，内部总线采用单总线结构。CPU外部的系统总线也是16位，分为地址总线AB、数据总线DB和控制总线CB。模型机设置有一个通用寄存器组（Genenal Register Set，GRS）包含8个16位的通用寄存器R0R7，用于存放参加运算的操作数和操作结果。10/12/202232南理工紫金学院4.4.1 JU-C1模型机指令系统 1、 JU-C1模型机10/12/202233南理工紫金学院10/10/202233南理工紫金学院3个16位的专用寄存器： P

20、C，存放下一条将要执行的指令的地址； PSW，存放当前指令执行后机器的状态标志信息，其中标志位包括借/进位标志CF，溢出标志OF，符号标志SF和零标志ZF； SP，存放堆栈栈顶的地址； 10/12/202234南理工紫金学院3个16位的专用寄存器：10/10/202234南理工紫金学2、JU-C1模型机的指令类型JU-C1模型机的指令系统设计有35条指令，分为5类 数据传送类指令，共3条 MOV数据传送指令POP压栈指令PUSH出栈指令10/12/202235南理工紫金学院2、JU-C1模型机的指令类型JU-C1模型机的指令系统设 算术、逻辑运算指令，共12条 ADD加法指令NOT逻辑非指令A

21、DDC带进位的加法指令AND逻辑与指令SUB减法指令OR逻辑或指令SUBB带借位的减法指令XOR逻辑异或指令INC加1指令CMP比较指令DEC减1指令TEST测试指令10/12/202236南理工紫金学院 算术、逻辑运算指令，共12条 ADD加法指令NOT逻辑非 移位类指令，共7条 SAR算术右移指令ROR循环右移指令SHL逻辑左移指令RCL带进位循环左移指令SHR逻辑右移指令RCR带进位循环右移指令ROL循环左移指令10/12/202237南理工紫金学院 移位类指令，共7条 SAR算术右移指令ROR循环右移指令 程序控制类指令，共11条 JMP无条件转移指令JNZZF=0转移指令JCCF=1

22、转移指令JSSF=1转移指令JNCCF=0转移指令JNSSF=0转移指令JOOF=1转移指令CALL子程序调用指令JNOOF=0转移指令RET返回指令JZZF=1转移指令 其他指令，共2条 HALT停机指令NOP空操作指令10/12/202238南理工紫金学院 程序控制类指令，共11条 JMP无条件转移指令JNZZF3、JU-C1模型机指令格式指令格式与指令类型(定长指令字，定长操作码)单字指令其中 MOV为传送指令, OP为000001; (ES) ED ADD为加法指令,OP为000010; (ES) + (ED) ED 例 ：MOV R0， (R2)3位2位3位2位6位目的数寻址方式源操作数寻址方式OP 015源地址ES目的地址ED00000100 00001010040AHMsRsMdRd10/12/202239南理工紫金学院3、JU-C1模型机指令格式指令格式与指令类型(定长指令字，双字指令MOV #10,R0 JZ 0001HJZ只有目的地址，OP为0000000110028910 0153475目的数寻址方式源操作数寻址方式OP源操作数或目的操作数的常数5位11位 位移量 D OP015040A 001000000101100000110010H10/12/202240