计算机组成原理第七章指令系统

计算机组成原理第七章指令系统一、考试范围（一）指令格式基本格式；定长操作码指令格式；扩展操作码指令格式。（二）指令的寻址方式有效地址的概念；数据寻址和指令寻址；常见寻址方式。（三）CISC和RISC的概念第2页,共68页，2024年2月25日，星期天二、复习要点1）理解指令的基本格式、定长与扩展操作码格式。2）掌握指令寻址方式的基本概念、常见寻址方式及其有效地址的计算。3）了解CISC和RISC的基本概念第3页,共68页，2024年2月25日，星期天指令是指示计算机执行某项运算或处理功能的命令，一台计算机支持的全部指令构成这台计算机的指令系统。指令系统与机器的运行性能、硬件结构的复杂程度和制造成本、使用的方便性等密切相关，是设计一台计算机的基本依据。指令系统的评价：1）完备性指令齐全，编程方便2）高效性程序占内存空间少，运行速度快3）规则性指令和数据使用规则统一简单，易学易记4）兼容性同一系列机器，程序向上兼容7.1机器指令第4页,共68页，2024年2月25日，星期天7.1机器指令一、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(3)扩展操作码技术（1）定长码指令系统中，所有指令OP码长度相等优点：规则性好，编译效率高缺点：指令平均长度长（占空间大，执行速度低）。（2）变长码操作码长度不等（复杂长，简单短）优点：指令平均长度短缺点：规则性差，编译效率低第5页,共68页，2024年2月25日，星期天操作码的长度随地址数的减少而增加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15条三地址指令15条二地址指令15条一地址指令16条零地址指令7.1机器指令第6页,共68页，2024年2月25日，星期天2.地址码(1)四地址(2)三地址OPA1A2A3A486666A1

第一操作数地址A2

第二操作数地址A3

结果的地址A4

下一条指令地址若PC代替A4(A1)OP(A2)A38888OPA1A2A3(A1)OP(A2)A34次访存4次访存寻址范围26=64寻址范围28=256若A3用A1或A2代替设指令字长为32位操作码固定为8位7.1机器指令第7页,共68页，2024年2月25日，星期天(3)二地址OPA1A281212或4次访存若ACC代替A1（或A2）若结果存于ACC(4)一地址(5)零地址OPA1824无地址码(ACC)OP(A1)ACC2次访存寻址范围212=4K寻址范围224=16M3次访存7.1机器指令(A1)OP(A2)A1微型机(A1)OP(A2)A2小型机第8页,共68页，2024年2月25日，星期天二、指令字长指令字长决定于操作码的长度指令字长=存储字长2.指令字长可变操作数地址的长度操作数地址的个数1.指令字长固定按字节的倍数变化7.1机器指令8n第9页,共68页，2024年2月25日，星期天7.1机器指令举例：1、假设指令字长为16位，操作数的地址码为6位，指令有零地址、一地址、二地址三种格式。（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几种？解：（1）24-P-Q（2）设一地址指令有Z种，则[(24-X)×26-Z]×26=Y∴Z=(24-X)×26-Y×2-6第10页,共68页，2024年2月25日，星期天2、某计算机指令字长为16位，采用R-R寻址方式，共有16个寄存器，指令系统有三地址、二地址、一地址及零地址指令，采用扩展操作码技术设计指令系统。7.1机器指令第11页,共68页，2024年2月25日，星期天OPA1A2A34位4位4位4位OP…15条三地址指令0000XXXXYYYYZZZZ1110XXXXYYYYZZZZ1111…15条二地址指令11110000XXXXYYYY11111110XXXXYYYY11111111…15条一地址指令111111110000XXXX111111111110XXXX111111111111…16条零地址指令11111111111100001111111111111111扩展标志扩展标志扩展标志OPA1A2OPA1指令操作码扩展17.1机器指令第12页,共68页，2024年2月25日，星期天指令操作码扩展2：0000XXXXYYYYZZZZ1110XXXXYYYYZZZZ1111

11100000XXXX1111

11101111XXXX1111111111110000111111111111111116条零地址指令1111

0000XXXXYYYY1111

1101XXXXYYYY1111

1111

0000XXXX1111

1111

1110XXXX15条三地址指令14条二地址指令16条一地址指令15条一地址指令317.1机器指令第13页,共68页，2024年2月25日，星期天7.2操作数类型和操作种类一、操作数类型地址数字字符逻辑数无符号整数定点数、浮点数、十进制数ASCII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（小端方式）（大端方式）第14页,共68页，2024年2月25日，星期天4字节32位存储器字地址0字地址4半字地址8半字地址10半字地址12字节地址15半字地址22字节地址14字节地址19字节地址18字节地址16字节地址17字节地址20字节地址21地址048121620在数据对准边界存储的计算机中，对于以二进制表示的存储地址来说，半字地址的最低位、字地址的最低两位和双字地址的最低三位恒为零。这种方式的整个字的存储时间要短，需要1个存储周期。按字存储时有大端和小端二种排放格式。即高字节内容放在高字节地址中为小端模式。存储器中的数据存放（存储字长为32位）7.2操作数类型和操作种类第15页,共68页，2024年2月25日，星期天32位、4个字节地址048字节半字的一半一字的3/4半字

有的计算机不要求对准边界存储数据，如下图所示，但这种方式增加硬件的复杂程度，并且有可能导致访问次数增加。例如存储一个字，则需要2个存储周期。半字另一半一字的1/4半字7.2操作数类型和操作种类第16页,共68页，2024年2月25日，星期天三、操作类型1.

数据传送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MOVEMOVEADDSUBMULDIVINCDECCMPNEGAAAAASAAMAADANDORNOTXORTEST7.2操作数类型和操作种类第17页,共68页，2024年2月25日，星期天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7.2操作数类型和操作种类第18页,共68页，2024年2月25日，星期天(3)调用和返回CALLSUB1.........CALLSUB2…...CALLSUB2…RETURNRETURN......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SUB27.2操作数类型和操作种类第19页,共68页，2024年2月25日，星期天INAX,nOUTDX,ALOUTn,AXOUTDX,AX(4)陷阱（Trap）与陷阱指令意外事故的中断设置供用户使用的陷阱指令如8086INTTYPE软中断提供给用户使用的陷阱指令，完成系统调用5.输入输出一般不提供给用户直接使用

在出现事故时，由CPU自动产生并执行（隐指令）INAL,DXINAX,DX入端口地址CPU的寄存器出CPU的寄存器端口地址如如INAL,nOUTn,AL7.2操作数类型和操作种类第20页,共68页，2024年2月25日，星期天7.3寻址方式寻址方式

确定本条指令的操作数地址下一条欲执行指令的指令地址指令寻址数据寻址寻址方式第21页,共68页，2024年2月25日，星期天一、指令寻址顺序(PC)+1PC跳跃由转移指令指出LDA1000ADD1001DEC1200JMP7LDA2000SUB2001INCSTA2500LDA1100...0123456789PC+1指令地址寻址方式指令地址指令顺序寻址1顺序寻址2顺序寻址3跳跃寻址7顺序寻址87.3寻址方式第22页,共68页，2024年2月25日，星期天二、数据寻址形式地址指令字中的地址有效地址操作数的真实地址约定

指令字长=存储字长=机器字长1.立即寻址指令执行阶段不访存

A的位数限制了立即数的范围形式地址A操作码寻址特征OP#A立即寻址特征立即数可正可负补码形式地址A就是操作数7.3寻址方式第23页,共68页，2024年2月25日，星期天2.直接寻址EA=A操作数主存寻址特征LDAAAACC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（必须修改A）有效地址由形式地址直接给出7.3寻址方式第24页,共68页，2024年2月25日，星期天3.隐含寻址操作数地址隐含在操作码中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7.3寻址方式第25页,共68页，2024年2月25日，星期天4.间接寻址EA=（A）有效地址由形式地址间接提供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7.3寻址方式第26页,共68页，2024年2月25日，星期天………子程序主程序…8081201202转子程序转子程序间接寻址编程举例(A)=81(A)=202……@间址特征JMP@A…

……………

…………7.3寻址方式第27页,共68页，2024年2月25日，星期天5.寄存器寻址EA=Ri执行阶段不访存，只访问寄存器，执行速度快OPRi寻址特征寄存器个数有限，可缩短指令字长操作数………………R0RiRn寄存器有效地址即为寄存器编号7.3寻址方式第28页,共68页，2024年2月25日，星期天EA=(Ri

)6.寄存器间接寻址

有效地址在寄存器中，操作数在存储器中，执行阶段访存操作数主存OPRi寻址特征

便于编制循环程序地址………………R0RiRn寄存器有效地址在寄存器中7.3寻址方式第29页,共68页，2024年2月25日，星期天7.基址寻址(1)采用专用寄存器作基址寄存器EA=(BR)+ABR为基址寄存器OPA操作数主存寻址特征ALUBR

可扩大寻址范围

便于程序搬家

BR内容由操作系统或管理程序确定

在程序的执行过程中BR内容不变，形式地址A可变7.3寻址方式第30页,共68页，2024年2月25日，星期天(2)采用通用寄存器作基址寄存器操作数主存寻址特征ALUOPR0AR0

作基址寄存器由用户指定哪个通用寄存器作为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R0内容不变，形式地址A可变7.3寻址方式第31页,共68页，2024年2月25日，星期天8.变址寻址EA=(IX)+AOPA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IX为变址寄存器（专用）在程序的执行过程中IX内容可变，形式地址A不变通用寄存器也可以作为变址寄存器7.3寻址方式第32页,共68页，2024年2月25日，星期天例设数据块首地址为D，求N

个数的平均值直接寻址变址寻址LDADADDD+1ADDD+2……ADDD+(N-1)DIV#NSTAANSLDA#0LDX#0INXCPX#NBNEMDIV#NSTAANS共N+2

条指令共8条指令ADDX,DMX为变址寄存器D为形式地址(X)和#N

比较(X)+1X结果不为零则转7.3寻址方式第33页,共68页，2024年2月25日，星期天9.相对寻址EA=(PC)+AA是相对于当前指令的位移量（可正可负，补码）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1000AOP7.3寻址方式第34页,共68页，2024年2月25日，星期天(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EA=(M+3)–3=M–3*LDA#0LDX#0ADDX,DINXCPX#NBNE

MDIV#NSTAANSMM+1M+2M+3而指令BNE

与指令ADDX,D

相对位移量不变–3*

指令BNE操作数的有效地址为–3*

相对寻址特征*7.3寻址方式第35页,共68页，2024年2月25日，星期天(2)按字节寻址的相对寻址举例OP位移量2000H2008H8JMP*+8OP06H2000H2008H8设当前指令地址PC=2000H转移后的目的地址为

2008H因为取出JMP

*+8

后PC=2002H二字节指令故JMP

*+8

指令的第二字节为2008H-2002H=6H7.3寻址方式第36页,共68页，2024年2月25日，星期天10.堆栈寻址(1)堆栈的特点堆栈硬堆栈软堆栈多个寄存器指定的存储空间先进后出（一个入出口）栈顶地址由SP

指出–11FFFH+12000H进栈（SP）–1SP出栈（SP）+1SP栈顶栈底2000HSP2000H……1FFFHSP1FFFH栈顶栈底进栈出栈1FFFH栈顶2000H栈顶7.3寻址方式第37页,共68页，2024年2月25日，星期天(2)堆栈寻址举例15200HACCSPX栈顶200H栈底主存151FFHACCSP15栈顶200H栈底主存X1FFHPUSHA前PUSHA后POPA前POPA后Y1FFHACCSPX栈顶200H栈底主存151FFH15200HACCSP栈顶200H栈底主存X157.3寻址方式第38页,共68页，2024年2月25日，星期天(3)SP的修改与主存编址方法有关①按字编址进栈出栈（SP）–1SP（SP）+1SP②按字节编址存储字长16位进栈出栈（SP）–2SP（SP）+2SP存储字长32位进栈出栈（SP）–4SP（SP）+4SP7.3寻址方式第39页,共68页，2024年2月25日，星期天7.4指令格式举例一、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、操作码位数寻址方式寄存器个数地址码位数、地址个数寻址方式、是否采用扩展操作码第40页,共68页，2024年2月25日，星期天二、指令格式举例1.PDP–8指令字长固定12位操作码间

页地址码访存类指令0235411寄存器类指令111辅助操作码02311I/O类指令110设备操作码02311987.4指令格式举例第41页,共68页，2024年2月25日，星期天2.PDP–11源地址OP4661616目的地址存储器地址1存储器地址2OP10616目的地址存储器地址目的地址466源地址OP106目的地址OP–CODE16OP–CODE指令字长有16位、32位、48位三种零地址(16位)一地址(16位)二地址RR(16位)二地址RM(32位)二地址MM(48位)扩展操作码技术7.4指令格式举例第42页,共68页，2024年2月25日，星期天3.IBM360OPR1R2RR格式844OPR1XBDRX格式844412OPR1R3BDRS格式844412OPBDISI格式88412OPB1D1LB2D2SS格式88412412二地址RR基址加变址寻址二地址RM三地址RM基址寻址二地址MM基址寻址基址寻址立即数M7.4指令格式举例第43页,共68页，2024年2月25日，星期天4.Intel8086(1)指令字长(2)地址格式1~6个字节MOVWORDPTR[0204],0138H6字节INCAX1字节一地址NOP1字节CALL段内调用3字节零地址5字节段间调用寄存器—寄存器寄存器—立即数寄存器—存储器ADDAX，BX2字节ADDAX，[3048H]4字节ADDAX，3048H

3字节二地址CALL7.4指令格式举例第44页,共68页，2024年2月25日，星期天7.5RISC技术一、RISC的产生和发展

80—20规律

典型程序中80%的语句仅仅使用处理机中20%的指令

执行频度高的简单指令，因复杂指令的存在，执行速度无法提高RISC（ReducedInstructionSetComputer）CISC（ComplexInstructionSetComputer）——RISC技术

能否用20%的简单指令组合不常用的80%的指令功能？第45页,共68页，2024年2月25日，星期天二、RISC的主要特征

选用使用频率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

只有LOAD/STORE

指令访存

流水技术一个时钟周期内完成一条指令

组合逻辑实现控制器多个通用寄存器

采用优化的编译程序7.5RISC技术第46页,共68页，2024年2月25日，星期天主要特征对比

CISCRISC指令系统复杂，庞大简单，精简指令数目一般大于200一般小于100指令格式寻址方式一般大于4一般小于4指令字长不固定等长可访存指令不加限制只有LOAD/STORE各种指令使用频率相差很大相差不大指令执行时间相差很大多数在一个周期内完成优化编译实现很难较容易程序源代码长度较短较长控制器实现方式大多数为微程序控制大多数为硬布线控制软件系统开发时间较短较长7.5RISC技术第47页,共68页，2024年2月25日，星期天（一）单项选择题1. 指令系统采用不同寻址方式的目的是

B。 A.实现存贮程序和程序控制； B.缩短指令长度，扩大寻址空间，提高编程灵活性； C.可直接访问外存； D.提供扩展操作码的可能并降低指令译码的难度；2. 以下四种类型指令中，执行时间最长的是

C。 A.RR型指令B.RS型指令 C.SS型指令D.程序控制指令3. 指令周期是指

C。 A.CPU从主存取出一条指令的时间 B.CPU执行一条指令的时间 C.CPU从主存取出一条指令加上CPU执行这条指令的时间 D.时钟周期时间第48页,共68页，2024年2月25日，星期天4. 变址寻址方式中，操作数的有效地址等于

C。 A.基值寄存器内容加上形式地址（位移量） B.堆栈指示器内容加上形式地址（位移量） C.变址寄存器内容加上形式地址（位移量） D.程序记数器内容加上形式地址（位移量）5. 寄存器间接寻址方式中，操作数处在

B。 A.通用寄存器B.主存单元 C.程序计数器D.堆栈6. 在指令格式中采用扩展码的设计方案是为了

C

。 A.减少指令字长度B.增加指令字长度 C.保持指令字长度不变而增加指令操作的数量

D.保持指令字长度不变而增加寻址空间7.条件转移指令执行时所依据的条件来自

B。A.指令寄存器B.标志寄存器C.程序计数器D.地址寄存器第49页,共68页，2024年2月25日，星期天8.CPU中的程序计数器PC中存放的是B。 A.指令B.指令地址 C.操作数D.操作数地址9.扩展操作码是D。 A.操作码字段外辅助操作字段的代码 B.操作码字段中用来进行指令分类的代码 C.指令格式中不同字段设置的操作码 D.操作码的长度随地址数的减少而增加,不同的地址数指令可以有不同的操作码长度10.为了缩短指令中某个地址段的位数,有效的方法是采用

D。 A.立即寻址B.变址寻址 C.间接寻址D.寄存器寻址11.零地址指令的操作数一般隐含在C。 A.磁盘中B.磁带中C.寄存器中D.光盘中第50页,共68页，2024年2月25日，星期天12.假设寄存器中R中的数值为200,主存地址为200和300的地址单元中存放的内容分别是300和400,则D

方式下访问到的操作数是200。 A.立即寻址B.寄存器间接寻址(R) C.存储器间接寻址(200)D.寄存器寻址13.在控制器中,必须有一个部件能提供指令在内存中的地址,服务于读取指令,并接收下条准备执行的指令地址,这个部件是C。 A.IPB.IRC.PCD.AR14.程序计数器和指令寄存器的位数各取决于B。 A．机器字长，存储器的容量 B.存储器的容量，指令字长 C．指令字长，机器字长 D．地址总线宽度，存储容量15．ADDR0，R1加法指令按操作数的个数分，属于B。 A．单操作数B．双操作数C．无操作数D．多操作数

第51页,共68页，2024年2月25日，星期天16．基址寻址中，操作数的有效地址

A。 A．基址寄存器内容加上形式地址（偏移量） B．堆栈指示器内容加上形式地址 C．变址寄存器内容加上形式地址 D．程序计数器内容加上形式地址17．控制器的指令部件是指

A。

A.程序计数器PC、指令寄存器IR和指令译码器ID B.微程序控制器 C.程序状态字PSW、指令寄存器IR和指令译码器ID第52页,共68页，2024年2月25日，星期天（二）综合应用题 1．指令和数据都存于存储器中，计算机如何区分它们？

【解】通常完成一条指令可分为取指阶段和执行阶段。在取指阶段通过访问存储器可将指令取出；在执行阶段通过访问存储器可将操作数取出。这样，虽然指令和数据都是以0、1代码形式存在存储器中，但CPU可以判断出在取指阶段访问存储器取出的0、l代码是指令；在执行阶段访存取出的0、l代码是数据。例如，完成ADDM指令需两次访存：第一次访存是取指阶段，CPU根据PC给出的地址取出指令；第二次访存是执行阶段，CPU根据存于IR的指令中M给出的地址取出操作数。可见，CPU就是根据取指阶段和执行阶段的访存性质不同来区分指令和数据的。第53页,共68页，2024年2月25日，星期天

2.以加法指令ADDM（M为主存地址）为例，写出完成该指令的信息流程（从取指令开始）。

【解】指令ADDM的真实含义是将地址为M的存储单元中的加数取出并送至运算器中。然后和存放在运算器的被加数通过ALU(算术逻辑部件)相加，结果仍放在运算器中。设运算器中Acc存放被加数，X存放加数，求和结果存放在Acc中。故完成ADDM指令的信息流程为:

取指令PCMARMMDRIR

分析指令OP(IR)AU

执行指令Ad(IR)MARMMDRXAccALU，同时XALUALUACC第54页,共68页，2024年2月25日，星期天

3．设主存储器容量为64K×32位，并且指令字长、存储字长、机器字长三者相等。写出MAR、MDR和通用寄存器X的位数，并指出哪些寄存器之间有信息通路。

【解】由主存容量为64K×32位得216=64K，故MAR为16位，MDR为32位。因指令字长=存储字长=机器字长，则IR、Acc、X均为32位。寄存器之间的信息通路有:PCMARAd(IR)MARMDRIR

取数MDRAcc，存数AccMDRMDRX第55页,共68页，2024年2月25日，星期天

4.

设某指令为定长12位，其中每个地址段3位，试提出一种扩充操作码的分配方案，使其指令系统具有4条三地址指令，8条二地址指令，180条单地址指令。第56页,共68页，2024年2月25日，星期天答：三地址指令：000xxxxxxxxx.

011xxxxxxxxx

二地址指令：100000xxxxxx

.

100111xxxxxx

一地址指令：101000000xxx.

111110011xxx其中：操作码最高位为0是三地址扩展码，操作码为100是二地址扩展码，操作码最高位为1是一地址扩展码。第57页,共68页，2024年2月25日，星期天

5.若某计算机要求有如下形式的指令：三地址指令4条，单地址指令254条，零地址指令16条(不要求有二地址指令)。设指令字长为12位，每个地址码长为3位，试用扩展操作码为其编码。第58页,共68页，2024年2月25日，星期天解：在三地址指令中三个地址字段占3×3=9位。剩下12-9=3位作为操作码，四条指令的操作码分别为000、001、010、011。最高位为0，是三地址标识。在单地址指令中，操作码可以扩展到12-3=9位，其中前3位的代码是上述四个操作码以外的4个编码，即首位为1。编码范围是1xxxxxxxx。共有28=256个编码，取其前254个，100000000～111111101。剩下2个作为扩展用。对于零地址指令，全部12位指令代码都是操作码，其中前9位剩下2个编码与后3位的8个编码正好构成16个操作码。

11111111是零地址扩展标识位。第59页,共68页，2024年2月25日，星期天

三种指令的编码结果：第60页,共68页，2024年2月25日，星期天

6.假设某机器指令系统指令定长12位，其中每个地址段3位，试提出一种扩充操作码的分配方案，使其指令系统具有4条三地址指令，8条二地址指令，180条单地址指令。答：三地址指令：000xxxxxxxxx.

011xxxxxxxxx

二地址指令：100000xxxxxx

.

100111xxxxxx

一地址指令：101000000xxx.