计算机组成原理：第四章 指令系统

第4章指令系统4.

1

指令的发展与性能要求4.2

指令格式4.

3

操作数类型和操作类型4.4寻址方式（编址方式）4.5RISC和CISC技术4.6指令系统举例第4章指令系统学习要点：理解：掌握：指令及数据的寻址。指令格式、指令系统及典型指令系统。4.1指令系统的发展与性能要求指令使计算机完成基本运算所需信号的组合，包括数据信息、地址信息和控制信息。指令是用户使用计算机和计算机本身运行的最小功能单位。指令系统

一台计算机使用和支持的全部指令构成该机的指令系统。1、20世纪50年代和60年代早期指令系统一般只有定点加减、逻辑运算、数据传送和转移等十几至几十条最基本的指令，而且寻址方式简单。一、发展2、60年代中、后期除了具有以上最基本的指令以外，还设置了乘除法运算指令、浮点运算指令、十进制运算指令、字符串处理指令等，指令数多达一、二百条，寻址方式也趋于多样化。3、60年代出现了系列(series)计算机原因：为了继承已有的软件，减少软件的开发费用。系列计算机：是指基本指令系统相同，基本体系结构相同的一系列计算机。优点：在旧机种上运行各种软件可以不加任何修改地在新机种上运行。

随着VLSI技术的发展，硬件结构越来越复杂，所支持的指令系统也趋于多用途、强功能化。指令系统的改进是围绕着缩小指令与高级语言的语义差异以及有利于操作系统的优化而进行的。

CISC（Complexinstructionsetcomputer复杂指令系统计算机）

（1）设计周期长，正确性难以保证且不易维护等；（2）需要大量硬件支持的大多数较复杂的指令却利用率很低，造成硬件资源的极大浪费。为了解决这个问题，在70年代末人们提出了便于VLSI实现的精简指令系统计算机，简称RISC。RISC（Reducedinstructionsetcomputer精简指令系统计算机）

要评价一台计算机的指令系统，通常从以下四个方面考虑：指令系统的完备性——常用指令齐全、编程方便。指令系统的高效性——程序占用的内存空间少、运行速度快。指令系统的规整性——指令和数据使用规则统一简单、易学易记。指令系统的兼容性——同一系列的低档计算机的程序能在高档计算机上直接运行。二、性能要求程序、指令、指令系统、指令格式计算机的程序是由一系列的指令组成。指令是要计算机执行某种操作的命令。指令系统是一台计算机中所有指令的集合决定计算机的基本功能，软件与硬件的界面是计算机系统设计的一个核心问题指令格式是用二进制代码表示的指令形式由操作码字段和地址码字段组成操作码：表示指令进行什么性质的操作地址码：指定参与操作的操作数地址4.2 指令格式一、指令的一般格式操作码字段地址码字段1.操作码反映机器做什么操作（性质与功能）（1）长度固定（2）长度可变用于指令字长较长的大中型计算机中、RISC如IBM370，操作码8位机器最多包含28=256条指令。操作码分散在指令字的不同字段中用于指令字长较短的微型计算机中，如PDP-11、Intel8086等2.地址码操作数的地址、结果的地址、下一条指令的地址零地址指令一地址指令二地址指令三地址指令多地址指令根据地址码个数的多少,指令可以分为以下五种：（1）多地址指令(四地址指令）格式OPA1A2A3A4

OP为操作码，A1第一操作数地址，

A2第二操作数地址，

A3结果地址，

A4下一条指令地址

例如：(A1)OP(A2)→A3四次访存（取指一次，取操作数两次，存数一次）（3）二地址指令格式A1代表第一个操作数的地址，A2代表第二个操作数和操作结果的地址

例如：

(A1)OP(A2)→A2

OPA1A2（2）三地址指令格式例如：(A1)OP(A2)→A3

OPA1A2A3例如：(A1)OP(A2)→ACC（5）零地址指令格式OP无需任何操作数例如：空操作(NOP)、停机(HLT)默认操作数地址例如：子程序返回(RET)、中断返回(IRET)（4）一地址指令格式完成加、减、移位等单操作数指令例如：(ACC)OP(A1)→ACCOPA1

小结

使用一些硬件资源（PC、ACC）代替指令字中的地址码字段后

当指令的地址字段为寄存器时

扩大指令操作数的直接寻址范围

缩短指令字长

减少访存次数指令执行阶段不访存可缩短指令字长零地址指令

一地址指令二地址指令三地址指令多地址指令指令短，执行速度快，硬件易实现指令的功能性强，便于编程

三地址OPR1,

R2,R3

二地址OPR1,R2

一地址OPR1

指令和数据都以二进制形式存储，但指令地址由PC规定，而数据地址由指令规定。二、指令操作码的扩展技术操作码的位数随地址数的减少而增加OPA1A2A3例：某机器指令长度为16位，操作码4位，4位地址码，若指令可含有三地址、二地址、一地址和零地址，问该机器一共有多少条指令？操作码地址码

15~1211~8

7~43~0OPA1A2A3000000011110…A1A1A1…A2A2A2…A3A3A3…A2A2A2…A3A3A3…111111111111…000000011110…111111111111…111111111111…111111111111…000000011111…111111111111…111111111111…A3A3A3…000000011110…4位操作码8位操作码12位操作码16位操作码最多15条三地址指令最多15条二地址指令最多15条一地址指令16条零地址指令操作码设置为：0000~1110操作码设置为：11110000~11111110操作码设置为：111111110000~111111111110可表示61条指令OPA1A2A3000000011110…A1A1A1…A2A2A2…A3A3A3…A2A2A2…A3A3A3…111111111111…000000011110…111111111111…111111111111…111111111111…000000011111…111111111111…111111111111…A3A3A3…000000011110…4位操作码8位操作码12位操作码16位操作码三地址指令操作码每减少一种可多构成24种二地址指令二地址指令操作码每减少一种可多构成24

种一地址指令例：某机器的指令长度为16位，操作码4位，4位地址码，若三地址指令仅需13条，二地址指令需47条，一地址指令需15条，零地址指令需16条，共91条指令。（1）三地址指令：（13条）0000

XXXXXXXXXXXX～1100XXXXXXXXXXXX（2）二地址指令：（47条）

1101

0000XXXXXXXX～1111

1110XXXXXXXX

即:(1101

0000XXXXXXXX～1101

1111XXXXXXXX16条)

(1110

0000XXXXXXXX～1110

1111XXXXXXXX16条)

(1111

0000XXXXXXXX～11111110XXXXXXXX15条)（3）一地址指令：（15条）

11111111

0000XXXX～1111111

1110XXXX（4）零地址指令：（16条）1111111111110000～111111111111

1111OPA1A2A3

15~1211~8

7~43~0思考：若指令字长是16位，若零地址指令有15条、一地址指令31条、二地址指令14条、三地址指令15条。假设每个地址码需要用4位的二进制表示，该指令系统应如何编码？假设指令字长是16位，操作数的地址码为6位，指令有零地址指令、一地址指令、二地址指令三种格式。（1）设操作码固定，若零地址指令有P种，一地址指令有Q种，则二地址指令最多有多少种？（2）采用扩展操作码技术，若二地址指令有X种，零地址指令有Y种，则一地址指令最多有多少种？16-P-Q三、

指令长度与字长的关系字长：指计算机能直接处理的二进制数据的位数，它是计算机的一个重要技术指标。作用：字长决定了计算机的运算精度，字长越长，计算机的运算精度越高。一般机器的字长都是字节长度（即8位）的l、2、4或8倍数。指令的长度：主要取决于操作码的长度、操作数地址的长度和操作数地址的个数。各指令的长度不是固定的，指令的长度通常为字节的整数倍。指令的长度与机器的字长没有固定的关系，它既可以小于或等于机器的字长，也可以大于机器的字长。前者称为短格式指令，后者称为长格式指令，一条指令存放在地址连续的存储单元中。Intel8086指令格式：占1~6个字节操作码操作码寻址方式操作码寻址方式位移量低位位移量高位操作码寻址方式+操作码数据低位数据高位操作码寻址方式+操作码数据低位数据高位位移量低位位移量高位四、指令格式举例MOVAX，BXMOVAX，[BX]指令字格式：100010dwmodregr/md：寄存器寻址对象

(1)目的操作数；(0)源操作数。w：字操作标志位(1)对字进行操作；(0)对字节进行操作。89D88B07MODR/M00011011W=0W=1000[BX+SI][BX+SI+8位位移量][BX+SI+16位位移量]ALAX001[BX+DI][BX+DI+8位位移量][BX+DI+16位位移量]CLCX010[BP+SI][BP+SI+8位位移量][BP+SI+16位位移量]DLDX011[BP+DI][BP+DI+8位位移量][BP+DI+16位位移量]BLBX100[SI][SI+8位位移量][SI+16位位移量]AHSP101[DI][DI+8位位移量][DI+16位位移量]CHBP11016位直接地址[BP+8位位移量][BP+16位位移量]DHSI111[BX][BX+8位位移量][BX+16位位移量]BHDI求指令MOVSP,BX的机器码。求指令MOVCL,[BX+1234H]的机器码。MODR/M00011011W=0W=1000[BX+SI][BX+SI+8位位移量][BX+SI+16位位移量]ALAX001[BX+DI][BX+DI+8位位移量][BX+DI+16位位移量]CLCX010[BP+SI][BP+SI+8位位移量][BP+SI+16位位移量]DLDX011[BP+DI][BP+DI+8位位移量][BP+DI+16位位移量]BLBX100[SI][SI+8位位移量][SI+16位位移量]AHSP101[DI][DI+8位位移量][DI+16位位移量]CHBP11016位直接地址[BP+8位位移量][BP+16位位移量]DHSI111[BX][BX+8位位移量][BX+16位位移量]BHDId：寄存器寻址对象

(1)目的操作数；(0)源操作数。w：字操作标志位(1)对字进行操作；(0)对字节进行操作。8BE3H8A8F3412H例：分析指令格式的特点单字长二地址指令。操作码字段OP长度为7位，可指定128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）。两个操作数均在寄存器中，所以是寄存器－寄存器型指令。这种指令结构常用于算术逻辑运算类指令。1597430OP

--------源寄存器目标寄存器例：分析指令格式的特点双字长二地址指令，用于访问存储器。操作码字段OP为7位，可以指定128种操作。一个操作数在源寄存器（共16个），另一个操作数在存储器中（由变址寄存器和位移量决定），所以是寄存器－存储器型指令。1597430OP

--------源寄存器变址寄存器位移量(16位)

4.3操作数类型和操作类型一、操作数的类型目前计算机所用数据字长一般为32位，存储器的地址一般按字节表示。常见的操作数类型有地址、数字、字符、逻辑数据等。（1）地址：无符号整数（2）数字：定点数（整数）、浮点数（实数）、十进制数等。（3）字符：ASCII（4）逻辑数：逻辑运算二、数据在存储器中的存放方式字地址为低字节地址字地址为高字节地址37621540字地址04低字节04512673字地址04低字节为便于硬件实现，一般要求多字节数据在存储器的存放方式满足“边界对准”。存储器中的数据存放（存储字长为32位），可按字节、半字、字、双字访问。地址（十进制）048字节(地址7)字节(地址6)字(地址2)半字(地址10)半字(地址8)半字(地址0)字(地址4)边界未对准地址（十进制）04812162024283236双字双字（地址32）双字双字（地址24）半字（地址20）半字（地址22）半字（地址16）半字（地址18）字节（地址

8）字节（地址

9）字节（地址10）字节（地址11）字（地址4）字（地址0）字节（地址14）字节（地址15）字节（地址13）字节（地址12）边界对准三、操作类型1.数据传送（寄存器与寄存器、寄存器与存储器、存储器与存储器）源目的寄存器寄存器寄存器寄存器存储器存储器存储器存储器置“1”，清“0”2.算术逻辑操作加、减、乘、除、增1、减1、求补、浮点运算、十进制运算与、或、非、异或、位操作、位测试、位清除、位求反如8086MOVESTORELOADMOVEPUSHPOP例如MOVEMOVEADDSUBMULDIVINCDECCMPNEGAAAAASAAMAADANDORNOTXORTEST算术运算逻辑运算3.移位操作算术移位4.转移（1）无条件转移JMP（2）条件转移结果为零转（Z=1）JZ结果溢出转（O=1）JO结果有进位转（C=1）JC跳过一条指令SKP循环移位（带进位和不带进位）如300…305306307SKPDZD=0则跳逻辑移位完成触发器（3）调用和返回主程序地址200021002101子程序SUB1240025002501256025612700主存空间分配程序执行流程子程序SUB2CALLSUB1......CALLSUB2…...CALLSUB2…RETURNRETURN...调用指令与返回指令配合使用程序的执行流程：主程序→SUB1

→SUB2

→SUB1

→SUB2

→SUB1

→主程序INAX,nOUTDX,AL5.输入输出INAL,DX入

端口地址CPU的寄存器出

CPU的寄存器端口地址如如OUTn,AL4.4寻址方式寻址方式的类别：

指令寻址方式：用于形成指令在内存中的地址

数据（操作数）寻址方式：用于形成操作数在内存中（寄存器）的地址地址：某个操作数或某条指令存放在某个存储单元时，其存储单元的编号，就是该操作数或指令在存储器中的地址。寻址方式是指确定本条指令的数据地址以及下一条欲执行指令的地址的方法，又称编址方式。

CPU根据寻址方式指定的方法找到所需操作数或指令。一、指令寻址方式1.顺序寻址方式：PC寻址(PC)+1→PC2.跳跃寻址方式：由转移指令指出（程序的控制转移）——条件转移vs无条件转移——相对转移vs绝对转移相对转移：程序计数器PC的内容加上偏移量形成指令的目的地址相对转移的跳跃寻址方式二、数据（操作数）寻址方式1.立即数寻址：形式地址不是操作数的地址，而直接是操作数本身例如：INT#3形式地址A：指令字中的地址码

有效地址EA：操作数的真实地址

形式地址A操作码寻址特征OP#A立即数寻址特征立即数（可正可负）指令执行阶段不访存

形式地址的位数限制了立即数的范围操作数不可修改，用于赋初值或设置常数2.直接寻址：指令的形式地址直接给出有效地址，即操作数地址操作数主存寻址特征LDAAAACC例如：INC1000执行阶段访问一次存储器

A的位数决定了该指令操作数的寻址范围操作数的地址不易修改3.隐含寻址：指令中不明显给出操作数的地址，隐藏在操作码中ADDA操作数主存寻址特征AACC暂存ALU另一个操作数隐含在ACC中例如：8086MUL指令：被乘数隐含在AX（16位）或AL（8位）中MOVS指令：源操作数的地址隐含在SI中目的操作数的地址隐含在DI中指令字中少了一个地址字段，可缩短指令字长4.间接寻址：指令的形式地址间接给出有效地址，即操作数地址的地址OPA寻址特征AEA主存EAA1EAA1主存EA10执行指令阶段2次访存可扩大寻址范围便于编制程序OPA寻址特征A一次间址多次间址操作数操作数多次访存寄存器间接寻址：指令中形式地址指的是寄存器地址

存储器间接寻址：指令中形式地址指的是存储器地址

例如：INC(R)寄存器间接寻址存储器间接寻址例如：INC(1000)有效地址在寄存器中，操作数在存储器中便于编制循环程序

有效地址和操作数都在存储器中……子程序主程序…8081201202调用子程序调用子程序间接寻址编程举例(A)=81……@间址特征JMP

@A…

……

…(A)=2025.寄存器寻址：指令的形式地址为寄存器地址，即操作数存放在寄存器中OPRi寻址特征操作数…………R0RiRn寄存器执行阶段不访存，只访问寄存器，执行速度快寄存器个数有限，可缩短指令字长例如：INCR16.基址寻址：操作数地址由基址寄存器内容和指令中形式地址相加得到专用寄存器或通用寄存器

位移量

OPA操作数主存寻址特征ALUBR可扩大寻址范围有利于多道程序BR为基址寄存器操作数主存寻址特征ALUOPR0AR0作基址寄存器通用寄存器R0Rn-1R1…基址寄存器的内容由操作系统确定在程序的执行过程中基址寄存器内容不变，形式地址A可变7.变址寻址：操作数地址由变址寄存器内容和指令中形式地址相加得到OPA操作数主存寻址特征ALUIX可扩大寻址范围便于处理数组问题

IX的内容由用户给定在程序的执行过程中IX内容可变，形式地址A不变8.相对寻址：操作数地址由程序计数器PC内容和指令中形式地址相加得到当前执行指令的地址

形式地址A的位数决定操作数的寻址范围程序浮动广泛用于转移指令操作数寻址特征ALUOPA相对距离A1000PC…主存1000AOP(1)相对寻址举例M随程序所在存储空间的位置不同而不同LDA#0LDX#0ADDX,DINXCPX#NBNEMDIV#NSTAANSMM+1M+2M+3而指令BNE*–3与指令ADDX,D相对位移量不变BNE*–3*相对寻址特征指令BNE*–3操作数的有效地址为EA=(M+3)–3=M

OP位移量2000H2008H8OP06H2000H2008H8设当前指令地址PC=2000H转移后的目的地址为2008H因为取出JMP*

+位移量后PC=2002H二字节指令故指令的第二字节为

2008H-2002H=06H(2)按字节寻址的相对寻址举例JMP

*

+位移量9.堆栈寻址堆栈原则：“先进后出FILO”或“后进先出LIFO”

只有一个数据出入口，即当前栈顶（不断变化），栈顶地址由SP指出。两种基本操作

写入：数据压进堆栈PUSH；读出：数据弹出堆栈操作POP堆栈用在存储器和寄存器中

存储器堆栈：使用主存部分空间作为堆栈区域寄存器堆栈（串联堆栈）：使用一组寄存器以堆栈方式存取数据–11FFFH+12000H进栈（SP）–1→SP出栈（SP）+1

→

SP栈顶栈底2000HSP2000H……1FFFHSP1FFFH栈顶栈底进栈出栈1FFFH栈顶2000

H栈顶立即数寻址存储器直接寻址间接寻址变址寻址基址寻址基址加变址寻址在指令中在寄存器中在主存中在I/O端口中直接寻址寄存器间接寻址寄存器寻址寄存器间接寻址存储器间接寻址操作数的寻址方式——总结操作数

例1、某计算机的字长为16位，存储器按字编址，访内存指令格式如下图所示。其中，OP是操作码，M是定义寻址方式（见下表），A为形式地址。设PC和Rx分别为程序计数器和变址寄存器，字长为16位，问：①该格式能定义多少种指令？②各种寻址方式的寻址范围为多少字？③写出各种寻址方式的有效地址EA的计算式。寻址模式表25种=32种1个字，即操作数EA=（PC）28=256字216=64K字EA=AEA=(A)216=64K字EA=(Rx)+AEA=(PC)+A28=256字例2、某计算机有变址寻址、间接寻址和相对寻址等寻址方式，设当前指令的地址码部分为001AH，正在执行的指令所在地址为1F05H，正在执行的指令占2个字节，变址寄存器中的内容为23A0H。请求出①当执行取数指令时，如为变址寻址方式，则取出的数为

。②如为间接寻址，取出的数为

。③当执行相对转移指令时，转移地址为

。己知存储器的部分地址及相应内容如下：1748H2600H1F21H例3、根据操作数所在位置，指出其寻址方式：操作数在寄存器中，称为（A）寻址方式；操作数地址在寄存器中，称为（B）寻址方式；操作数在指令中，称为（C）寻址方式；操作数地址在指令中，为（D）寻址方式。操作数的地址，为某一个寄存器中的内容与位移之和，则可以是（E）、（F）、（G）寻址方式。解：（A）寄存器寻址方式（B）寄存器间接寻址方式（C）立即数寻址方式（D）直接寻址方式（E）变址寻址（F）基址寻址（G）基址加变址寻址P112—5.2、5.34.5RISC技术和CISC技术一、什么是复杂指令系统计算机？

为增强指令功能，设置一些功能复杂的指令，把一些原来由软件实现的、常用的功能改用硬件的指令系统来实现，这种计算机称为复杂指令集计算机。二、CISC的特点系统指令复杂庞大，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

CPU中设有专用寄存器

难以用优化编译生成高效的目的代码选用频度高简单指令指令长度固定、格式种类少、寻址方式少只有取数/存数指令访存，其他指令都在寄存器之间进行CPU中有多个通用寄存器采用流水技术在一个机器周期内完成一条指令采用组合逻辑实现控制器采用高级语言优化编译程序四、RISC的特点80—20规律典型程序中80%的语句仅使用处理机中20%的指令三、什么是精简指令系统计算机？尽量简化指令功能，只保留那些功能简单，能在一个节拍内执行完成指令，较复杂的指令用一段子程序来实现，这种计算机系统称为精简指令集计算机。4.6指令系统举例一、设计指令格式时应考虑的各种因素1.指令系统的兼容性（向上兼容）2.其他因素操作类型数据类型指令格式包括指令个数及操作的难易程度指令字长是否固定寻址方式寄存器个数地址码位数、地址个数、寻址方式类型操作码位数、是否采用扩展操作码技术，确定哪些数据类型可参与操作指令寻址、操作数寻址寄存器的多少直接影响指令的执行时间二.SPARC的指令系统1.SPARC的指令类型（2）存数／取数指令22条（按字节、半字、字、双字的存取）存储器分区：用户程序区、用户数据区、系统程序区和系统数据区。（1）算术运算／逻辑运算／移位指令31条如：加法指令ADD

普通加法ADDcc普通加法且置状态触发器N、Z、V、CADDX

带进位加法ADDXcc带进位加法且置状态触发器N、Z、V、C（3）控制转移指令（5条）（4）读/写专用寄存器指令（8条）（5）浮点运算指令（6）协处理器指令全称为“可扩充处理器架构”，是RISC微处理器架构之一。2．SPARC的指令格式指令字长32位、共有三种格式OP、OP2、OP3——操作码Opf———————浮点指令操作码Rd———————目的寄存器Rsl、rs2—————通用寄存器Simml3—————扩展符号立即数I————————第二个操作数选择3．各类指令的功能及寻址方式（1）算术逻辑运算指令(rs1)OP(rs2)→rd(当i=0时)本指令将rs1，rs2的内容按操作码所规定的操作进行运算后将结果送rd。（2）取数／存数指令

LOAD：存储器→rd；STORE：rd→存储器在RISC中，只有LOAD／STORE指令访问存储器（3）控制转移类指令此类指令改变PC值，SPARC有五种控制转移指令：①条件转移(Branch)；

②转移并连接(JMPL)③调用(CALL)；

④陷阱(trap)；

⑤从trap程序返回(RETT)（4）读／写专用寄存器指令

SPARC有四个专用寄存器(PSR，Y，WIM，TBR)，其中PSR称为程序状态寄存器。三.指令编码示例1、假设某计算机支持以下九条指令（1）ADDR0，R1；(R0)+(R1)→R0、Cy

ADDR1，10H；10H+(R1)→R1、Cy（2）SUBR1，R0；（R1）-（R0）→R1

SUBR1，10H；（R1）-10H→R1（3）MOVR0，R1；（R1）→R0

MOVR0，10H；10H→R0

（4）INR0，01H；从01端口中输入数据到R0

OUT02H，R0；将R0寄存器的内容传送到02H端口（5）RRR0，1；将R0寄存器中的内容右移一位2、指令编码假设某机器的字长是八位，支持（1）中所列的指令：指令是二地址指令，源操作数可采用两种寻址方式：寄存器寻址（R0、R1）和立即寻址；目标操作数可采用寄存器和直接两种寻址方式。请为上述九条机器指令设计可行的代码方案。解：采用定长编码方案，指令格式如下：76543210操作码=0000表示ADD=0001表示SUB=0010表示MOV=0011表示IN=0100表示OUT=0101表示RR目标操作数寻址方式：0—直接寻址式； 1—寄存器寻址目标寄存器编号源操作数寻址方式：0—立即数寻址1—寄存器寻址源寄存器编号ADDR0，R1ADDR1，10H九条指令的机器代码如下：操作码目标寻址源寻址汇编指令ADDR0,R1ADDR1,10HSUBR1,R0SUBR1,10HMOVR0,R1MOVR0,10HINR0，01HOUT02H，R0RRR0，1000010110000110*0001000000011110000