計算機組成原理(5)

1、1第第5章章 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)5.1 機器指令機器指令 指令就是控制計算機執(zhí)行某種操作指令就是控制計算機執(zhí)行某種操作(如加、減、傳送、轉移等如加、減、傳送、轉移等)的的命令。命令。一臺計算機所能執(zhí)行的全部指令的集合，稱為該計算機的指一臺計算機所能執(zhí)行的全部指令的集合，稱為該計算機的指令系統(tǒng)或指令集令系統(tǒng)或指令集。 5.1.1 指令格式指令格式 OPA操作碼字段操作碼字段地址碼字段地址碼字段圖圖5.1 指令的基本格式指令的基本格式5.1.2 指令長度指令長度 指令長度應是存儲器基本字長的整數倍指令長度應是存儲器基本字長的整數倍， 另外指令長度又有另外指令長度又有固定長度固定長度和和可變長度可變長

2、度之分。之分。 固定長度固定長度 可變長度可變長度 可變長指令比較靈活，故采用的較多可變長指令比較靈活，故采用的較多。2指令字短有利于提高程序效率指令字短有利于提高程序效率不能為了縮短指令長度而影響指令系統(tǒng)的不能為了縮短指令長度而影響指令系統(tǒng)的完備性完備性和和規(guī)整性規(guī)整性 完備性差完備性差：機器的功能將影響；：機器的功能將影響； 規(guī)整性差：規(guī)整性差：則譯碼部分電路將較為復雜，加長了分析指令的時則譯碼部分電路將較為復雜，加長了分析指令的時間。間。5.1.3 指令的地址碼指令的地址碼 四地址指令四地址指令 格式格式: 指令的含義指令的含義:(A1)OP(A2)(A3) A4 =下一條指令的地址。下

3、一條指令的地址。 三地址指令三地址指令 格式格式: 指令的含義指令的含義:(A1)OP(A2)(A3) 下一條指令的地址由下一條指令的地址由(PC)+1PC(隱含隱含) 3 指令的含義指令的含義:(A1)OP(A2)(A1) A1：為目的操作數地址：為目的操作數地址 A2：為源操作數地址：為源操作數地址 下一條指令的地址由下一條指令的地址由(PC)+1PC(隱含隱含) 一地址指令一地址指令 格式格式: 分兩種情況：分兩種情況： 單操作數運算：單操作數運算：+1、- -1、求反等，這個單地址既是操作數地址，、求反等，這個單地址既是操作數地址，又是結果存放地址。又是結果存放地址。 指令的含義指令的

4、含義:OP(A1)(A1) 下一條指令的地址由下一條指令的地址由(PC)+1PC(隱含隱含) 二地址指令二地址指令 格式格式:4 該地址中內容是一個操作數，另一個操作數存放在一個叫累加該地址中內容是一個操作數，另一個操作數存放在一個叫累加器的專用寄存器中器的專用寄存器中。 指令的含義指令的含義:(ACC)OP(A1)(ACC) 下一條指令的地址由下一條指令的地址由(PC)+1PC(隱含隱含) 零地址指令零地址指令 只有操作碼字段，沒有地址碼字段，其格式為：只有操作碼字段，沒有地址碼字段，其格式為：5.1.4指令的操作碼指令的操作碼 操作碼用于指明指令要完成的操作功能及其特性。指令系統(tǒng)中的操作碼

5、用于指明指令要完成的操作功能及其特性。指令系統(tǒng)中的每一條指令都有一個惟一確定的操作碼，不同的指令具有不同的操每一條指令都有一個惟一確定的操作碼，不同的指令具有不同的操作碼。作碼。 若指令系統(tǒng)中有若指令系統(tǒng)中有m種操作，即指令系統(tǒng)中可包含種操作，即指令系統(tǒng)中可包含m條指令，則操條指令，則操作碼的位數作碼的位數n應滿足：應滿足： nlog2m (5- -1) 若指令中操作碼的編碼長度是固定的，則稱為定長編碼；若操作若指令中操作碼的編碼長度是固定的，則稱為定長編碼；若操作碼的編碼長度是變長的，則稱為變長編碼。碼的編碼長度是變長的，則稱為變長編碼。 5 1)定長編碼定長編碼 指令譯碼簡單，有利于簡化硬

6、件設計。指令譯碼簡單，有利于簡化硬件設計。 2)變長編碼變長編碼 不同指令的操作碼長度不完全相同，操作碼的位數不固定，分散不同指令的操作碼長度不完全相同，操作碼的位數不固定，分散地位于指令字的不同位置上。地位于指令字的不同位置上。 采用變長編碼的方法，可以有效地壓縮指令操作碼的平均長度，采用變長編碼的方法，可以有效地壓縮指令操作碼的平均長度，便于用較短的指令字長表示更多的操作類型，尋址更大的存儲空間。便于用較短的指令字長表示更多的操作類型，尋址更大的存儲空間。 變長編碼的指令操作碼的位數不固定且位置分散，增加了指令譯變長編碼的指令操作碼的位數不固定且位置分散，增加了指令譯碼與分析的難度，使硬件

7、設計復雜化。碼與分析的難度，使硬件設計復雜化。 就是當指令字長一定時，設法使操作碼的就是當指令字長一定時，設法使操作碼的長度隨地址數的減少而增加，這樣地址數不同的指令可以具有不同長度隨地址數的減少而增加，這樣地址數不同的指令可以具有不同長度的操作碼，從而可以充分利用指令字的各個字段，在不增加指長度的操作碼，從而可以充分利用指令字的各個字段，在不增加指令長度的情況下擴展操作碼的長度，使有限字長的指令可以表示更令長度的情況下擴展操作碼的長度，使有限字長的指令可以表示更多的操作類型。多的操作類型。 設某機的指令長度為設某機的指令長度為16位。其中操作碼為位。其中操作碼為4位，具有三個地址字位，具有三

8、個地址字段，每個地址字段長為段，每個地址字段長為4位。其指令格式為：位。其指令格式為：615 12 11 87 4 30OPA1A2A3圖圖5-2 擴展操作碼舉例擴展操作碼舉例7 例例5.1 設機器指令字長為設機器指令字長為16位，指令中地址字段的長度為位，指令中地址字段的長度為4位。如位。如果指令系統(tǒng)中已有果指令系統(tǒng)中已有11條三地址指令、條三地址指令、72條二地址指令和條二地址指令和64條零地址條零地址指令，問最多還能規(guī)定多少條一地址指令指令，問最多還能規(guī)定多少條一地址指令? 解：解：三地址指令的地址字段共需三地址指令的地址字段共需12位，指令中還可有位，指令中還可有4位用于操位用于操作碼

9、，可規(guī)定作碼，可規(guī)定16條三地址指令。因為現(xiàn)有條三地址指令。因為現(xiàn)有11條三地址指令，所以還條三地址指令，所以還剩下剩下16- -11=5個編碼，可用于二地址指令。個編碼，可用于二地址指令。 二地址指令的地址字段共需二地址指令的地址字段共需8位，可有位，可有8位操作碼，去掉三地址指位操作碼，去掉三地址指令用掉的操作碼，可規(guī)定令用掉的操作碼，可規(guī)定524=80條二地址指令。現(xiàn)有條二地址指令?，F(xiàn)有72條二地址條二地址指令，所以還有指令，所以還有80- -72=8個編碼用于一地址指令。個編碼用于一地址指令。 一地址指令的地址字段共需一地址指令的地址字段共需4位，可有位，可有12位操作碼，去掉二、三位

10、操作碼，去掉二、三地址指令用掉的操作碼，可規(guī)定地址指令用掉的操作碼，可規(guī)定824=128條一地址指令。條一地址指令。 由于要求有由于要求有64條零地址指令，而條零地址指令，而4位操作碼只能提供位操作碼只能提供16條指令，條指令，所以需要由一地址指令提供所以需要由一地址指令提供64/16=4個操作碼編碼，構成個操作碼編碼，構成424=64條條零地址指令。因此還能規(guī)定零地址指令。因此還能規(guī)定128- -4=124條一地址指令。條一地址指令。 在有限的指令字條件下，若要表示更多操作，還可采用將操作碼在有限的指令字條件下，若要表示更多操作，還可采用將操作碼進一步分段的方法。例如可將指令操作碼進一步分段

11、的方法。例如可將指令操作碼OP再進一步分為主操作再進一步分為主操作碼和輔助操作碼兩部分。主操作碼用于表示基本操作，輔助操作碼碼和輔助操作碼兩部分。主操作碼用于表示基本操作，輔助操作碼用于表示各種附加操作，如進位、移位、結果回送、判跳等操作。用于表示各種附加操作，如進位、移位、結果回送、判跳等操作。8 NOVA機的算術邏輯類指令就采用這種方式，其指令格式為機的算術邏輯類指令就采用這種方式，其指令格式為 01234578910 1112 1314 15 1ACSACD主操作碼主操作碼移位移位進位進位回送回送跳步測試跳步測試95.2 尋址方式尋址方式 尋址尋址：尋找操作數的地址。：尋找操作數的地址。

12、 尋址技術尋址技術：包括編址方式和尋址方式。：包括編址方式和尋址方式。 編址單位編址單位：字編址、字節(jié)編址、位編址。：字編址、字節(jié)編址、位編址。 字編址字編址 優(yōu)點優(yōu)點：控制方式實現(xiàn)起來簡單，地址信息沒有任何浪費。：控制方式實現(xiàn)起來簡單，地址信息沒有任何浪費。 缺點缺點：不支持非數值的應用。因為非數值往往是按節(jié)或位進行操：不支持非數值的應用。因為非數值往往是按節(jié)或位進行操作的。作的。 字節(jié)編址字節(jié)編址 優(yōu)點優(yōu)點：支持非數值的應用。編址單位與信息單位：支持非數值的應用。編址單位與信息單位(字節(jié)字節(jié))基本相一基本相一致。因為非數值往往是按節(jié)或位進行操作的。致。因為非數值往往是按節(jié)或位進行操作的。

13、缺點缺點：如果訪問：如果訪問MM單位是一個字的話，單位是一個字的話， MM頻帶就太窄了，頻帶就太窄了，需要多次訪問需要多次訪問MM才行。因此，才行。因此，要求訪要求訪MM的單位是編址單位的的單位是編址單位的整數倍整數倍。 105.2.1 指令的尋址方式指令的尋址方式 1順序方式順序方式 2跳越方式跳越方式 跳越方式就是當程序發(fā)生轉移時，根據指令的轉移目標地址修改跳越方式就是當程序發(fā)生轉移時，根據指令的轉移目標地址修改PC的內容。的內容。 5.2.2 操作數的尋址方式操作數的尋址方式 確定一臺計算機指令系統(tǒng)的尋址方式時，有以下幾點必須考慮確定一臺計算機指令系統(tǒng)的尋址方式時，有以下幾點必須考慮：

14、希望指令內所含的地址盡可能短；希望指令內所含的地址盡可能短； 希望能訪問盡可能大的存儲空間；希望能訪問盡可能大的存儲空間； 希望地址能隱含在寄存器中。希望地址能隱含在寄存器中。 能在不改變指令的情況下，僅改變地址的實際值，從而能方便地能在不改變指令的情況下，僅改變地址的實際值，從而能方便地訪問數組、串、表格等較復雜數據。訪問數組、串、表格等較復雜數據。 尋址的方法盡可能簡單，尋址的方法盡可能簡單，以簡化硬件設計。以簡化硬件設計。 OP尋址方式尋址方式MOD形式地址形式地址A圖圖5-3 一地址指令格式一地址指令格式11常用的尋址方式有以下幾類常用的尋址方式有以下幾類： 立接尋址立接尋址 指令直接

15、給出操作數本身，這種尋址方式又稱立即數。指令直接給出操作數本身，這種尋址方式又稱立即數。格式格式操作碼操作碼尋址方式尋址方式形式地址形式地址OP立即尋址立即尋址D圖圖5-4 立即尋址方式立即尋址方式 Data=D 例例5.2 Intel 8086中的立即尋址指令。中的立即尋址指令。 MOV AX，2000H ；將立即數；將立即數2000H存入累加器存入累加器AX中中 優(yōu)點：優(yōu)點：操作速度最快。操作速度最快。 缺點：缺點：操作數是指令的一部分，修改操作數困難；數據表示范圍操作數是指令的一部分，修改操作數困難；數據表示范圍受指令字的長度限制；尋址靈活性最差。受指令字的長度限制；尋址靈活性最差。12

16、 優(yōu)點優(yōu)點是比較直觀，也較便于硬件實現(xiàn)。是比較直觀，也較便于硬件實現(xiàn)。 缺點缺點是隨著是隨著MM容量的增長，地址碼將會越來越長。對于定長指容量的增長，地址碼將會越來越長。對于定長指令，由于地址碼的位數有限，則限制令，由于地址碼的位數有限，則限制 了地址碼的位數。對于變長指了地址碼的位數。對于變長指令，勢必造成指令的長度過長。令，勢必造成指令的長度過長。 例例5.3 Intel 8086中的直接尋址指令。中的直接尋址指令。 MOV AX，2000H ；將有效地址為；將有效地址為2000H的內存單元內容讀入的內存單元內容讀入累加器累加器AX中中 2直接尋址直接尋址 直接尋址方式是指指令的地址碼部分

17、給出的形式地址直接尋址方式是指指令的地址碼部分給出的形式地址A就是操作就是操作數的有效地址數的有效地址EA，即操作數的有效地址在指令字中直接給出。，即操作數的有效地址在指令字中直接給出。如圖如圖5- -5所示，采用直接尋址時，有效地址所示，采用直接尋址時，有效地址EA=A。OP直尋址直尋址AEA=A圖圖5-5 直即尋址方式直即尋址方式操作數操作數13 兩個明顯的優(yōu)點兩個明顯的優(yōu)點： 從寄存器中取數據比從從寄存器中取數據比從MM中取數據快得多。中取數據快得多。 由于寄存器數量比由于寄存器數量比MM容量少，因此其地址位數比容量少，因此其地址位數比MM單元單元地址字段短得多，可以縮短指令的長度，提高

18、指令執(zhí)行的速度。地址字段短得多，可以縮短指令的長度，提高指令執(zhí)行的速度。 3間接尋址間接尋址 如圖如圖5- -6所示。所示。圖圖5-6 間接尋址間接尋址14 例例54某計算機的一級間接尋址指令：某計算機的一級間接尋址指令： MOV AX，2000H ；為間接尋址標志為間接尋址標志 設主存設主存2000H單元的內容為單元的內容為3000H，主存，主存3000H單元的內容為單元的內容為5000H，則該指令源操作數的有效地址是主存，則該指令源操作數的有效地址是主存2000H單元的內容，單元的內容，即：即：EA=(A)=(2000H)=3000H。該指令所需的實際源操作數是主存。該指令所需的實際源操作

19、數是主存3000H單元的內容，即：單元的內容，即：Data=5000H。 間接尋址比直接尋址靈活得多，它主要優(yōu)點如下間接尋址比直接尋址靈活得多，它主要優(yōu)點如下： 擴大了尋址范圍，可用指令中的短地址訪問較大的主存空間。擴大了尋址范圍，可用指令中的短地址訪問較大的主存空間。 便于編制程序。便于編制程序?？蓪⒖蓪M單元作為程序的地址指針，用以指單元作為程序的地址指針，用以指示操作數在示操作數在MM中的位置。當操作數的單元地址須要改變時，不必中的位置。當操作數的單元地址須要改變時，不必修改指令，只要修改存放有效地址的單元中的內容即可，這個單元修改指令，只要修改存放有效地址的單元中的內容即可，這個單元

20、稱為稱為間接地址單元間接地址單元。 間接尋址的缺點如下：間接尋址的缺點如下： 間接尋址須多次訪間接尋址須多次訪MM，降低了執(zhí)行的速度。，降低了執(zhí)行的速度。 為了防止因多次間接訪問，使間址無休止地執(zhí)行下去，大多計為了防止因多次間接訪問，使間址無休止地執(zhí)行下去，大多計算機只允許一級間址。即使允許多級間址，也嚴格控制間址次數。算機只允許一級間址。即使允許多級間址，也嚴格控制間址次數。15 例例55 Intel 8086的寄存器尋址指令：的寄存器尋址指令： MOV AL，BL ；將寄存器；將寄存器BL中的內容傳送到寄存器中的內容傳送到寄存器AL中中 4寄存器直接尋址寄存器直接尋址 寄存器直接尋址也稱寄

21、存器尋址寄存器直接尋址也稱寄存器尋址。它是指在指令地址碼中給出的。它是指在指令地址碼中給出的是某一通用寄存器的編號是某一通用寄存器的編號(也稱寄存器地址也稱寄存器地址)，該寄存器的內容即為，該寄存器的內容即為指令所需的操作數。即采用寄存器尋址方式時，有效地址指令所需的操作數。即采用寄存器尋址方式時，有效地址EA是寄是寄存器的編號，存器的編號，即即EA=Ri。如圖。如圖5- -7所示。所示。 圖圖5-7 奇存器直接尋址方式奇存器直接尋址方式 16 寄存器間接尋址寄存器間接尋址 操作數地址在指令中指定的操作數地址在指令中指定的CPU中的某個寄存器中。中的某個寄存器中。 EA= (Ri)。圖圖5-8

22、 寄存器間接尋址寄存器間接尋址 例例5.6 Intel 8086的寄存器間接尋址指令：的寄存器間接尋址指令： MOV AL， BX 寄存器間接尋址主要優(yōu)缺點如下寄存器間接尋址主要優(yōu)缺點如下: 優(yōu)點：優(yōu)點：是的指令長度較短，與寄存器尋址指令長度差不多。是的指令長度較短，與寄存器尋址指令長度差不多。 缺點：缺點：是指令執(zhí)行時間比寄存器尋址指令執(zhí)行時間長。是指令執(zhí)行時間比寄存器尋址指令執(zhí)行時間長。17 變址尋址變址尋址 EA= (Rx)+指令給出的位移量指令給出的位移量。 變址尋址方式是指操作數的有效地址是由指令中指定的變址寄存變址尋址方式是指操作數的有效地址是由指令中指定的變址寄存器的內容與指令字

23、中的形式地址相加形成的。變址尋址的尋址過程器的內容與指令字中的形式地址相加形成的。變址尋址的尋址過程如圖如圖5- -9所示。所示。 一般格式一般格式 圖圖5.9 變址尋址方式變址尋址方式18 例例57 Intel 8086的變址尋址指令：的變址尋址指令： MOV AL，SI+4 其中其中SI為變址器，為變址器，4H是形式地址，是形式地址， 變址器的內容可以自動變址器的內容可以自動“+1”或或“- -1”，以適合于數組操作。，以適合于數組操作。 例例58 VAX-11機的變址尋址指令：機的變址尋址指令： MOV (R1)+，R0 MOV - -(R1)，R0 變址尋址常用于數組、向量、字符串等數

24、據的處理。變址尋址常用于數組、向量、字符串等數據的處理。 先間址后變址和先變址后間址方式的尋址過程如圖先間址后變址和先變址后間址方式的尋址過程如圖5- -10所示。所示。 19 相對尋址相對尋址 EA=(PC)+指令給出的形式地址指令給出的形式地址。 相對尋址方式除了用于訪問操作數外，還常被用于轉移類指令。相對尋址方式除了用于訪問操作數外，還常被用于轉移類指令。 相對轉移的好處相對轉移的好處是可以相對于當前的指令地址進行浮動轉移尋址，是可以相對于當前的指令地址進行浮動轉移尋址， 20圖圖5-11 相對尋址相對尋址 例例 5.9 Intel 8086的不為的不為0轉移指令轉移指令JNC D的功能

25、為：如果進位為的功能為：如果進位為0，則轉移到目標地址為，則轉移到目標地址為(PC)+D處進行執(zhí)行。該指令為雙字節(jié)指令處進行執(zhí)行。該指令為雙字節(jié)指令。設本條指令的地址為。設本條指令的地址為1000H。 轉移指令轉移指令JNC 03H的功能為：如果進位為的功能為：如果進位為0，則轉移到目標地，則轉移到目標地址為址為(PC)+03H處進行執(zhí)行。處進行執(zhí)行。 轉移指令轉移指令JNC FDH的功能為：如果進位為的功能為：如果進位為0，則轉移到目標地，則轉移到目標地址為址為(PC)+FDH處進行執(zhí)行。處進行執(zhí)行。 兩條指令的轉移尋址過程如圖兩條指令的轉移尋址過程如圖5- -12所示。所示。 21圖圖5-

26、 -12 指令指令JNC 03H和和JNC FDH的尋址過程的尋址過程 基址尋址基址尋址 EA=(BP)+指令給出的位移量指令給出的位移量。 基址寄存器可以是一個專用的寄存器，也可以是由指令指定的通基址寄存器可以是一個專用的寄存器，也可以是由指令指定的通用寄存器，基址寄用寄存器，基址寄存器中的內容稱為基地址。存器中的內容稱為基地址。 基址尋址的尋址過程如圖基址尋址的尋址過程如圖5-13所示。所示。 22 變址尋址變址尋址是面向用戶的，是面向用戶的，用于循環(huán)取數組中一個元素；用于循環(huán)取數組中一個元素； 相對尋址主要用于程序內部的循環(huán)或程序轉移相對尋址主要用于程序內部的循環(huán)或程序轉移; 基址尋址基

27、址尋址是面向系統(tǒng)的，是面向系統(tǒng)的，用于程序再定位。用于程序再定位。 基址加變址尋址基址加變址尋址 EA=(BP)+ (Rx)+指令給出的位移量指令給出的位移量。 例例5.10 Intel 8086的基址加變址尋址的指令：的基址加變址尋址的指令： MOV AL，BX+SI+4 圖圖5-13基址尋址基址尋址23 10堆棧尋址堆棧尋址 堆棧尋址是一種由堆棧支持的尋址方式。堆棧尋址是一種由堆棧支持的尋址方式。 1) 堆棧堆棧 計算機中的堆棧是指按先進后出計算機中的堆棧是指按先進后出(FILO)或者說后進先出或者說后進先出(LIFO)原原則進行存取的一個特定的存儲區(qū)域則進行存取的一個特定的存儲區(qū)域 寄存

28、器堆棧寄存器堆棧 圖圖5- -14 寄存器堆棧的進棧和出棧操作過程寄存器堆棧的進棧和出棧操作過程 24 這是一種用硬件實現(xiàn)的方法，稱為這是一種用硬件實現(xiàn)的方法，稱為硬堆棧硬堆棧。 優(yōu)點：優(yōu)點：存取速度快，不占用主存空間；存取速度快，不占用主存空間； 缺點：堆棧的容量小不易擴展，是破壞性讀出價格高。缺點：堆棧的容量小不易擴展，是破壞性讀出價格高。 存儲器堆棧存儲器堆棧 所謂存儲器堆所謂存儲器堆是是在內存開辟堆棧區(qū)，這種堆棧，在內存開辟堆棧區(qū)，這種堆棧，它既可以是固定它既可以是固定的區(qū)域，也可以是浮動的區(qū)域，可以用軟件加以定義，而且需要時的區(qū)域，也可以是浮動的區(qū)域，可以用軟件加以定義，而且需要時可

29、以定義多個存儲器可以定義多個存儲器堆棧。堆棧。而棧頂位置動態(tài)變化。而棧頂位置動態(tài)變化。 自底向上生成堆棧自底向上生成堆棧 入棧操作入棧操作 (PUSH)步驟：步驟：SP- -1SP， Data (SP)。 出棧操作出棧操作 (POP)步驟：步驟： 從棧頂取出數據，從棧頂取出數據， SP+ +1SP。 自頂向下生成堆棧自頂向下生成堆棧 入棧操作入棧操作 (PUSH)步驟：步驟：SP+ +1SP， Data (SP)。 出棧操作出棧操作 (POP)步驟：步驟： 從棧頂取出數據，從棧頂取出數據， SP- -1SP。25圖圖5- -16 自底向上生成堆棧的工作過程自底向上生成堆棧的工作過程 圖圖5-

30、-15 堆棧的兩種生成方式堆棧的兩種生成方式26 2)堆棧尋址堆棧尋址 堆棧尋址方式就是按照堆棧指示器堆棧尋址方式就是按照堆棧指示器SP的內容確定操作數的訪存地的內容確定操作數的訪存地址。址。 11頁面尋址頁面尋址 頁面尋址就是將存儲器邏輯地分成若干頁，每一頁都有自己的頁頁面尋址就是將存儲器邏輯地分成若干頁，每一頁都有自己的頁面地址，一頁內包含若干存儲單元，可以通過頁內地址進行訪問。面地址，一頁內包含若干存儲單元，可以通過頁內地址進行訪問。當需要訪問一頁內的某一單元時，將該頁的頁面地址與相應單元的當需要訪問一頁內的某一單元時，將該頁的頁面地址與相應單元的頁內地址相拼接，即可形成操作數的有效地址

31、。頁內地址相拼接，即可形成操作數的有效地址。 12擴展尋址擴展尋址 擴展尋址就是將要訪問的存儲單元地址的高位預先裝入擴展寄存擴展尋址就是將要訪問的存儲單元地址的高位預先裝入擴展寄存器中，訪存時將擴展寄存器的內容與指令字中形式地址部分給出的器中，訪存時將擴展寄存器的內容與指令字中形式地址部分給出的內容相拼接，形成操作數的有效內容相拼接，形成操作數的有效地址。地址。 例如，例如，Intel 8086 CPU將將1MB存儲器空間分成若干邏輯段來進行存儲器空間分成若干邏輯段來進行管理，每個段的最大容量限制為管理，每個段的最大容量限制為64KB，且規(guī)定每個邏輯段只能從，且規(guī)定每個邏輯段只能從模模16地址

32、開始，地址開始， 8086的段尋址過程如圖的段尋址過程如圖5- -17所示。所示。 27圖圖5- -17 Intel 8086的段尋址的段尋址 285.3 指令類型指令類型 設計一臺計算機指令系統(tǒng)的功能時，必須注意以下幾個原則設計一臺計算機指令系統(tǒng)的功能時，必須注意以下幾個原則： 完備性或完整性完備性或完整性 即指令系統(tǒng)功能盡可能完備。但指令系統(tǒng)太即指令系統(tǒng)功能盡可能完備。但指令系統(tǒng)太復雜，則會給指令系統(tǒng)的實現(xiàn)帶來困難。復雜，則會給指令系統(tǒng)的實現(xiàn)帶來困難。 ( (2)2)有效性有效性 指令系統(tǒng)的有效性是指用指令系統(tǒng)中的指令編寫的程指令系統(tǒng)的有效性是指用指令系統(tǒng)中的指令編寫的程序能高效率運行，占

33、用空間小，序能高效率運行，占用空間小，執(zhí)行速度快。執(zhí)行速度快。 均勻性均勻性(規(guī)整性規(guī)整性) 數據處理指令能對多種類型的數據進行處理，數據處理指令能對多種類型的數據進行處理，包括三種整數包括三種整數(字節(jié)、字、雙字字節(jié)、字、雙字)、兩種浮點數、兩種浮點數(單精度和雙精度浮點單精度和雙精度浮點數數) 及及十進制數十進制數。 指令與數據格式的一致性要求指令長度與機器字長和數據長度有指令與數據格式的一致性要求指令長度與機器字長和數據長度有一定一定的關系，以便于指令和數據的存取及處理。的關系，以便于指令和數據的存取及處理。 兼容性兼容性 后設計的計算機的指令系統(tǒng)應能兼容以前設計的低擋后設計的計算機的指

34、令系統(tǒng)應能兼容以前設計的低擋機的指令系統(tǒng)。機的指令系統(tǒng)。5.3.1 數據傳送指令數據傳送指令 例如，在例如，在IBM370機的指令系統(tǒng)中，成組取數指令的格式為：機的指令系統(tǒng)中，成組取數指令的格式為：29 又如在又如在Intel 8086的指令系統(tǒng)中，有串傳送指令的指令系統(tǒng)中，有串傳送指令MOVS，在加上重，在加上重復前綴復前綴REP后，可以控制一次將最多達后，可以控制一次將最多達64KB的數據塊從存儲器的的數據塊從存儲器的一個區(qū)域傳送到另一個區(qū)域。一個區(qū)域傳送到另一個區(qū)域。 5.3.2算術邏輯運算指令算術邏輯運算指令 例例5.11 Intel 8086指令系統(tǒng)中的算術邏輯運算指令。指令系統(tǒng)中的

35、算術邏輯運算指令。 ADD AL，BL ; ALAL+BL MUL BL ; AXALBL AND AL，F(xiàn)EH ; ALAL11111110B， ;是是AL的最低位清的最低位清0，其余位不變。，其余位不變。 OR AL，F(xiàn)0H ; ALAL11110000B， ;是是AL的高的高4位置位置1，其余位不變。，其余位不變。 TEST AL，01H ;AL00000001B，若相，若相“與與的結的結 ;果為全果為全0，表示，表示AL0=0 ,若相若相“與與” ;的結果不為全的結果不為全0，表示，表示AL0=1 5.3.3移位操作指令移位操作指令 移位操作指令分為移位操作指令分為算術移位、邏輯移位和

36、循環(huán)移位三種算術移位、邏輯移位和循環(huán)移位三種，可以實，可以實現(xiàn)對操作數左移或右現(xiàn)對操作數左移或右移一位或幾位。移一位或幾位。 305.3.4 堆棧操作指令堆棧操作指令5.3.5 字符串處理指令字符串處理指令 5.3.6 程序控制指令程序控制指令 1轉移指令轉移指令 分為無條件轉移指令和條件轉移指令。分為無條件轉移指令和條件轉移指令。 無條件轉移指令又稱必轉指令。無條件轉移指令又稱必轉指令。 條件轉移指令條件轉移指令 例例5.12 Intel 8086指令系統(tǒng)中的轉移指令。指令系統(tǒng)中的轉移指令。 JMP L1 ；這是一條直接尋址的無條件轉移指令這是一條直接尋址的無條件轉移指令 JNZ 50H 2

37、循環(huán)指令循環(huán)指令 指令實際上是一種增強型的條件轉移指令，其指令功能一般包括指令實際上是一種增強型的條件轉移指令，其指令功能一般包括對循環(huán)控制變量的修改、測試判斷以及地址轉移等功能。對循環(huán)控制變量的修改、測試判斷以及地址轉移等功能。 例例5.13 Intel 8086指令系統(tǒng)中的循環(huán)控制指令。指令系統(tǒng)中的循環(huán)控制指令。 LOOP L131 3子程序調用與返回指令子程序調用與返回指令 子程序的入口地址子程序的入口地址是指子程序第一條指令的地址。是指子程序第一條指令的地址。 調用程序中轉子指令的下一條指令的地址稱為調用程序中轉子指令的下一條指令的地址稱為斷點斷點，斷點斷點是子程是子程序返回主程序時的

38、返回地址。序返回主程序時的返回地址。 從子程序返回調用程序的指令稱為從子程序返回調用程序的指令稱為返回指令返回指令。 執(zhí)行轉子指令時保存斷點的方式有多種，常用的有：執(zhí)行轉子指令時保存斷點的方式有多種，常用的有： (1)將斷點存放到子程序第一條指令的前一個字單元。將斷點存放到子程序第一條指令的前一個字單元。 (2)將斷點保存到某一約定的寄存器中。將斷點保存到某一約定的寄存器中。 (3)將斷點壓入堆棧。將斷點壓入堆棧。 轉子指令與轉移指令的執(zhí)行結果都是實現(xiàn)程序的轉移，但兩者的轉子指令與轉移指令的執(zhí)行結果都是實現(xiàn)程序的轉移，但兩者的區(qū)別在于：區(qū)別在于： 轉移指令轉移指令的功能是轉移到指令給出的轉移地

39、址處去執(zhí)行指令，一的功能是轉移到指令給出的轉移地址處去執(zhí)行指令，一般用于同一程序內的轉移，轉移后不需要返回原處，因此不需要保般用于同一程序內的轉移，轉移后不需要返回原處，因此不需要保存返回地址。存返回地址。 轉子指令轉子指令的功能是轉去執(zhí)行一段子程序，實現(xiàn)的是不同程序之間的功能是轉去執(zhí)行一段子程序，實現(xiàn)的是不同程序之間的轉移。因為子程序執(zhí)行完后必須返回主程序，所以轉子指令必須的轉移。因為子程序執(zhí)行完后必須返回主程序，所以轉子指令必須以某種方式保存返回地址，以便返回時能正確返回到主程序原來的以某種方式保存返回地址，以便返回時能正確返回到主程序原來的位置。位置。 32 轉子指令和返回指令通常是無條

40、件的，但也有帶條件的轉子指令轉子指令和返回指令通常是無條件的，但也有帶條件的轉子指令和返回指令。條件和返回指令。條件轉子指令和條件返回指令所需要的條件與轉移指轉子指令和條件返回指令所需要的條件與轉移指令的條件類似。令的條件類似。 4 4陷阱指令陷阱指令 陷阱實際是指意外事故的中斷。陷阱實際是指意外事故的中斷。 例如：例如：Intel 8086 CPU的軟件中斷指令的軟件中斷指令INT n(n是是8位二進制常數位二進制常數，用于表示中斷類，用于表示中斷類型型)，就是直接提供給用戶使用的陷阱指令，利，就是直接提供給用戶使用的陷阱指令，利用它可以實現(xiàn)系統(tǒng)調用和程序請求。用它可以實現(xiàn)系統(tǒng)調用和程序請求

41、。 5.3.7 輸入輸出指令輸入輸出指令 輸入輸出指令通常有三種設置方式：輸入輸出指令通常有三種設置方式： 外設采用單獨編碼的尋址方式并設置專用的外設采用單獨編碼的尋址方式并設置專用的I/O指令指令。由。由I/O指指令的地址碼部分給出被選設備的設備碼令的地址碼部分給出被選設備的設備碼(或端口地址或端口地址)，操作碼指定，操作碼指定所要求的所要求的I/O操作。操作。 這種方式將這種方式將I/O指令與其他指令區(qū)別對待，編寫程序清晰；但因指令與其他指令區(qū)別對待，編寫程序清晰；但因為為I/O指令通常較少，功能簡單，如果需要對外設信息進行復雜處指令通常較少，功能簡單，如果需要對外設信息進行復雜處理，則需

42、要較多的指令才能實現(xiàn)。理，則需要較多的指令才能實現(xiàn)。 33 外設與主存統(tǒng)一編址，用通用的數據傳送指令實現(xiàn)外設與主存統(tǒng)一編址，用通用的數據傳送指令實現(xiàn)I/O操作操作。 這種方式不用設置專用這種方式不用設置專用I/O指令，可以利用各類指令對外設信息指令，可以利用各類指令對外設信息進行處理；但由于外設與主存統(tǒng)一編址，占用了主存的地址空間；進行處理；但由于外設與主存統(tǒng)一編址，占用了主存的地址空間；而且較難分清程序中的而且較難分清程序中的I/O操作和訪存操作。操作和訪存操作。 通過通過I/O處理機執(zhí)行處理機執(zhí)行I/O操作操作。在這種方式下，。在這種方式下，CPU只需執(zhí)行幾只需執(zhí)行幾條簡單的條簡單的I/O

43、指令，如啟動指令，如啟動I/O設備、停止設備、停止I/O設備、測試設備、測試I/O設備等設備等，而對，而對I/O系統(tǒng)的管理、系統(tǒng)的管理、 I/O操作控制等工作都由操作控制等工作都由I/O處理機完成。處理機完成。這種方式能提高主機的效率，但必須在這種方式能提高主機的效率，但必須在I/O處理機支持下才能實現(xiàn)處理機支持下才能實現(xiàn)5.3.8 其他指令其他指令 除了上述幾種類型的指令外，還有其他一些完成某種控制功能的除了上述幾種類型的指令外，還有其他一些完成某種控制功能的指令，如停機、等待、空操作、開中斷、關中斷、置條件碼以及特指令，如停機、等待、空操作、開中斷、關中斷、置條件碼以及特權指令等。權指令等

44、。 特權指令主要用于系統(tǒng)資源的分配與管理，具有特殊的權限，一特權指令主要用于系統(tǒng)資源的分配與管理，具有特殊的權限，一般只能用于操作系統(tǒng)或其他系統(tǒng)軟件，而不直接提供給用戶使用。般只能用于操作系統(tǒng)或其他系統(tǒng)軟件，而不直接提供給用戶使用。在多任務、多用戶的計算機系統(tǒng)中，這種特在多任務、多用戶的計算機系統(tǒng)中，這種特權指令是不可缺少的。權指令是不可缺少的。 除此之外，在一些多處理器系統(tǒng)中還配有專門的多處理機指令。除此之外，在一些多處理器系統(tǒng)中還配有專門的多處理機指令。 345.4 CISC和和RISC指令指令 使計算機越來越復雜的原因有以下幾點：使計算機越來越復雜的原因有以下幾點： 使目標程序得到優(yōu)化。

45、使目標程序得到優(yōu)化。 給高級程序設計語言提供更好的支持。給高級程序設計語言提供更好的支持。 提供對提供對OS的支持。的支持。 根據統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，根據統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，CISC(Complex Instruction Set Computer) 中最常中最常用的比較簡單的指令占指令系統(tǒng)的用的比較簡單的指令占指令系統(tǒng)的20%，其使用頻度卻占，其使用頻度卻占80%；而；而功能較復雜的指令占指令系統(tǒng)的功能較復雜的指令占指令系統(tǒng)的80%，其使用頻度卻只有，其使用頻度卻只有20%。為。為此，此，1975年，年，IBM公司的公司的John Cocke提出了提出了RISC(Reduced Instruction Set

46、Computer)思想。思想。5.4.1 CISC CISC指令系統(tǒng)的特點是指令系統(tǒng)的特點是 (1)指令系統(tǒng)復雜龐大，指令數目一般多達指令系統(tǒng)復雜龐大，指令數目一般多達200300條。條。 (2)指令格式多，指令字長不固定，采用多種不同的尋址方式。指令格式多，指令字長不固定，采用多種不同的尋址方式。 (3)可訪存指令不受限制。可訪存指令不受限制。 (4)各種指令的執(zhí)行時間和使用頻率相差很大。各種指令的執(zhí)行時間和使用頻率相差很大。 (5)大多數大多數CISC機都采用微程序控制器。機都采用微程序控制器。 355.4.2 RISC 一般一般CPU的執(zhí)行速度受三個因素的影響，即程序中的指令總數的執(zhí)行速

47、度受三個因素的影響，即程序中的指令總數I、平均指令執(zhí)行所需的時鐘周期數平均指令執(zhí)行所需的時鐘周期數CPI和每個時鐘周期的時間和每個時鐘周期的時間T，CPU執(zhí)行程序所需的時間執(zhí)行程序所需的時間P可用可用式式( (5- -2) )表示：表示： P=ICPIT ( (5- -2) ) RISC指令系統(tǒng)的主要特點是：指令系統(tǒng)的主要特點是： 選取一些使用頻率高的簡單指令以及很有用又不復雜的指令來選取一些使用頻率高的簡單指令以及很有用又不復雜的指令來構成指令系統(tǒng)。構成指令系統(tǒng)。 指令數目較少，指令長度固定，指令格式少，尋址方式種類少。指令數目較少，指令長度固定，指令格式少，尋址方式種類少。 采用流水線技術

48、，大多數指令可在一個時鐘周期內完成；特別采用流水線技術，大多數指令可在一個時鐘周期內完成；特別是在采用了超標量和超流水技術后，可使指令的平均執(zhí)行時間小于是在采用了超標量和超流水技術后，可使指令的平均執(zhí)行時間小于一個時鐘周期。一個時鐘周期。 使用較多的通用寄存器以減少訪存。使用較多的通用寄存器以減少訪存。 ， 采用寄存器一寄存器方式工作，只有存數采用寄存器一寄存器方式工作，只有存數(STORE)取數取數(LOAD)指令訪問存儲器，而其余指令均在寄存器之間進行操作。指令訪問存儲器，而其余指令均在寄存器之間進行操作。 控制器以組合邏輯控制為主，不用或少用微程序控制?？刂破饕越M合邏輯控制為主，不用或少

49、用微程序控制。 采用優(yōu)化編譯技術，力求高效率地支持高級語言的實現(xiàn)采用優(yōu)化編譯技術，力求高效率地支持高級語言的實現(xiàn) 表表5- -1給出了一些典型的給出了一些典型的RISCRISC指令系統(tǒng)的指令條數。指令系統(tǒng)的指令條數。36 與與CISC機相比，機相比，RISC機的主要優(yōu)點有機的主要優(yōu)點有 充分利用了充分利用了VLSI芯片的面積芯片的面積 (2)提高了計算機的運算速度提高了計算機的運算速度 (3)便于設計，降低了開發(fā)成本，提高了可靠性便于設計，降低了開發(fā)成本，提高了可靠性 由于由于RISC機指令系統(tǒng)簡單，機器設計周期短，設計出錯可能性機指令系統(tǒng)簡單，機器設計周期短，設計出錯可能性小，易查錯，可靠性

50、高。小，易查錯，可靠性高。 (4)有效地支持高級語言有效地支持高級語言 CISC 與與 RISC之爭論之爭論表表5-1 一些典型的一些典型的RISC指令系統(tǒng)的指令條數指令系統(tǒng)的指令條數 機器名機器名 指令數指令數 機器名機器名 指令數指令數RISC 11 39 ACORN 44MIPS 31 INMOS 111IBM 801 120 IBMRT 118MIRIS 64 HPPA 140PYRAMID 128CLIPPER 101RIDGE 128 SPARC 89375.5 指令系統(tǒng)舉例指令系統(tǒng)舉例 5.5.1 Ultra SPARC的指令系統(tǒng)的指令系統(tǒng) Ultra SPARC的指令格式的指令

51、格式 Ultra SPARC最初只有最初只有3種指令格式，如圖種指令格式，如圖5-18所示。所示。 圖圖5- -18 Ultra SPARC Ultra SPARC的基本指令格式的基本指令格式 38 2Ultra SPARCUltra SPARC的尋址方式的尋址方式 在寄存器尋址方式中，使用在寄存器尋址方式中，使用5位編碼說明寄存器地址。在立即尋位編碼說明寄存器地址。在立即尋址方式中，采用址方式中，采用13位帶符號數作為立即數，在運算時需要對位帶符號數作為立即數，在運算時需要對13位帶位帶符號數進行符號擴展。符號數進行符號擴展。 Ultra SPARC只有只有LOAD、STORE和一條多處理器

52、同步指令涉和一條多處理器同步指令涉及內存尋址。及內存尋址。 LOAD和和STORE指令的兩種內存尋址方式如下指令的兩種內存尋址方式如下: 寄存器間接尋址：寄存器間接尋址：i=0，存儲器地址，存儲器地址=(源寄存器源寄存器1)+(源寄存器源寄存器2) 變址尋址：變址尋址：i=1，存儲器地址，存儲器地址= (源寄存器源寄存器1)+13位帶符號偏移量位帶符號偏移量 3Ultra SPARCUltra SPARC的指令類型的指令類型 表表5- -2列出了列出了Ultra SPARC指令系統(tǒng)中所有用戶模式下的整數指指令系統(tǒng)中所有用戶模式下的整數指令。令。但沒有列出浮點數指令、控制指令但沒有列出浮點數指令

53、、控制指令(如高速緩存管理指令和系如高速緩存管理指令和系統(tǒng)重啟指令統(tǒng)重啟指令)、涉及非用戶地址空間的、涉及非用戶地址空間的指令和過時的指令指令和過時的指令。 39表表52 Ultra SPARC 的主要整數指令的主要整數指令 讀取數據指令讀取數據指令 邏輯指令邏輯指令 LDSBADDR, ,DST讀取帶符號的字節(jié)讀取帶符號的字節(jié)(8位位)AND R1，S2，DST邏輯邏輯ANDLDUBADDR, ,DST讀取無符號的字節(jié)讀取無符號的字節(jié)(8位位)ANDCC R1S2，DST邏輯邏輯AND并設置并設置iccLDSHADDR, ,DST讀取帶符號的半字讀取帶符號的半字(16位位)ANDN R1，S

54、2DST邏輯邏輯NOT ANDLDUHADDR, ,DST讀取無符號的半字讀取無符號的半字(16位位)ANDNCC R1,S2,DST邏輯邏輯NOT AND并設置并設置iccLDSWADDR, ,DST讀取帶符號的字讀取帶符號的字(32位位)OR R1, S2,DST邏輯邏輯ORLDUWADDR, ,DST讀取無符號的字讀取無符號的字(32位位)ORCC R1,S2,DST邏輯邏輯OR并設置并設置iccLDXADDR, ,DST讀取擴展的字讀取擴展的字(64位位)ORN R1,S2,DST邏輯邏輯ORN 保存數據指令保存數據指令 ORNCC R1,S2,DST邏輯邏輯ORN并設置并設置icc

55、STB SRC, ,ADDR保存字節(jié)保存字節(jié)(8位位)XOR R1,S2,DST邏輯邏輯XOR STH SRC, ,ADDR保存半字保存半字(16位位)XORCC R1,S2,DST邏輯邏輯XOR并設置并設置icc STW SRC, ,ADDR保存字保存字(32位位)XNOR R1,S2,DST邏輯邏輯NOT XoR STX SRC, ,ADDR保存擴展的字保存擴展的字(64位位)XNORCC R1,S2,DST邏輯邏輯N()T XOR并設置并設置icc40 算術運算指令算術運算指令控制轉移指令控制轉移指令ADD R1, ,S2, ,DST加法加法BPcc ADDR使用預測轉移使用預測轉移AD

56、DCC R1, ,S2, ,DST加法并設置加法并設置iccBPr SRO, ,ADDR根據寄存器轉移根據寄存器轉移ADDC R1, ,S2, ,DST帶進位的加法帶進位的加法CALL ADDR調用過程調用過程ADDCCC R1,R1,S2, ,DST帶進位的加法并設置帶進位的加法并設置iccRETURN ADDR。從過程返回從過程返回SUB R1, ,S2, ,DST減法減法JMPL ADDR, ,DST跳轉和鏈接跳轉和鏈接SUBCC R1, ,S2, ,DST減法并設置減法并設置iccSAVE R1, ,S2, ,DST保存寄存器窗口保存寄存器窗口SUBCCC R1,S2,S2,DST帶進

57、位的減法并設置帶進位的減法并設置iccRESTORE R1, ,S2, ,DST恢復寄存器窗口恢復寄存器窗口MULX R1, ,S2, ,DST乘法乘法Tcc CC, ,TRAP#根據條件執(zhí)行陷阱根據條件執(zhí)行陷阱SDIVX R1, ,S2, ,DST帶符號除法帶符號除法PREFETCH FCN從內存預取數據從內存預取數據UDIVX R1, ,S2, ,DST無符號除法無符號除法LDSTUB ADDR, ,R原子存取原子存取TADCC R1, ,S2, ,DST 帶標記的加法帶標記的加法MEMBAR MASK內存屏障內存屏障 移位移位/ /循環(huán)移位指令循環(huán)移位指令 其他指令其他指令 SLL RL

58、, ,S2, ,DST邏輯左移邏輯左移(32位位)SETHI CON, ,DST設置位設置位1031SLLX R1, ,S2, ,DST擴展的邏輯左移擴展的邏輯左移(64位位)MOVcc CC, ,S2, ,DST根據條件復制根據條件復制SRL R1, ,S2, ,DST邏輯右移邏輯右移(32位位)MOVr R1, ,S2, ,DST根據寄存器復制根據寄存器復制SRLX R1, ,S2, ,DST擴展的邏輯右移擴展的邏輯右移(64位位)NOP空操作空操作SRA Rl, ,S2, ,DST算術右移算術右移(32位位)POPC S1, ,DST總數計算總數計算SRAX R1, ,S2, ,DST

59、擴展的算術右移擴展的算術右移(64位位) RDCCR V, ,DST讀條件碼寄存器讀條件碼寄存器WRCCR V, ,DST寫條件碼寄存器寫條件碼寄存器RDPC V, ,DST讀取程序計數器讀取程序計數器41表表5- -3 一些模擬的一些模擬的Ultra SPARC指令指令 指指 令令 實現(xiàn)方法實現(xiàn)方法MOV SRC，DSTSRC OR G0，然后把結果存入，然后把結果存入DSTCMP SRCl，SRC2對對SRCl和和SRC2執(zhí)行執(zhí)行SUBCC，然后把結果存入，然后把結果存入G0TSTSR0對對SRCI和和G0執(zhí)行執(zhí)行0R0c，然后把結果存入，然后把結果存入G0NOTDST DST和和G0執(zhí)行

60、執(zhí)行XNORNEGDST從從G0中減去中減去DST，并把結果存入，并把結果存入DSTTNCDSTDST加加1(立即數立即數)DECDSTDST減減1(立即數立即數)CLRDST G0OR G0并保存到并保存到DST中中NOP用用0 SETHI G0RET JMPL17+8，G05.5.2 Pentium 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng) Intel公司的公司的x86系列系列CPU采用的是采用的是CISC指令系統(tǒng)的設計思想，指指令系統(tǒng)的設計思想，指令系統(tǒng)規(guī)模很龐大，但從令系統(tǒng)規(guī)模很龐大，但從Pentium MMX、Pentium開始，采用了開始，采用了RISC的設計思想，尤其是的設計思想，尤其是Pentium，