第四章指令系統(tǒng)

1、華北電力大學計算機系華北電力大學計算機系計算機組成與結構第四章第四章第四章 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)計算機組成與結構本章結構本章結構4.4 RISC技術4.3 指令的類型4.2 尋址方式4.1 指令格式第四章第四章 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)計算機組成與結構4.1 指令格式一、指令的一般格式一、指令的一般格式 操作碼字段操作碼字段 地址碼字段地址碼字段1. 操作碼操作碼反映機器做什么操作反映機器做什么操作(1) 長度固定長度固定(2) 長度可變長度可變用于指令字長較長的情況用于指令字長較長的情況 ，RISC如如 IBM 370操作碼操作碼 8 位位操作碼分散在指令字的不同字段中操作碼分散在指令字的不同字段中第四

2、章第四章 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)計算機組成與結構(3) 擴展操作碼技術擴展操作碼技術操作碼的位數隨地址數的減少而增加操作碼的位數隨地址數的減少而增加OP A1 A2 A3000000011110A1A1A1A2A2A2A3A3A3A2A2A2A3A3A3111111111111000000011110111111111111111111111111111111111111000000011111111111111111111111111111A3A3A30000000111104 位操作碼位操作碼8 位操作碼位操作碼12 位操作碼位操作碼16 位操作碼位操作碼15條三地址指令條三地址指令15條二地址

3、指令條二地址指令15條一地址指令條一地址指令16條零地址指令條零地址指令第四章第四章 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)計算機組成與結構2. 地址碼地址碼(1) 四地址四地址(2) 三地址三地址OP A1 A2 A3 A48 6 6 6 6A1 第一操作數地址第一操作數地址A2 第二操作數地址第二操作數地址A3 結果的地址結果的地址A4 下一條指令地址下一條指令地址若若 PC 代替代替 A4(A1) OP (A2) A38 8 8 8 OP A1 A2 A3(A1) OP (A2) A35 次訪存次訪存4 次訪存次訪存尋址范圍尋址范圍 26 = 64尋址范圍尋址范圍 28 = 256若若 A3 用用 A1 或或

4、 A2 代替代替設指令字長為設指令字長為 32 位位操作碼固定為操作碼固定為 8 位位第四章第四章 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)計算機組成與結構(3) 二地址二地址OP A1 A28 12 12(A1) OP (A2) A1(A1) OP (A2) A2或或4 次訪存次訪存若若ACC 代替代替 A1（或或A2）若結果存于若結果存于 ACC (4) 一地址一地址(5) 零地址零地址OP A18 24無地址碼無地址碼(ACC) OP (A1) ACC2 次訪存次訪存尋址范圍尋址范圍 212 = 4 K尋址范圍尋址范圍 224 = 16 M 3次訪存次訪存2. 地址碼地址碼第四章第四章 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)計算機組

5、成與結構二、指令字長二、指令字長指令字長決定于指令字長決定于操作碼的長度操作碼的長度指令字長指令字長 = 存儲字長存儲字長2. 指令字長指令字長 可變可變操作數地址的長度操作數地址的長度操作數地址的個數操作數地址的個數1. 指令字長指令字長 固定固定按字節(jié)的倍數變化按字節(jié)的倍數變化第四章第四章 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)計算機組成與結構小結小結 當用一些硬件資源代替指令字中的地址碼字段后當用一些硬件資源代替指令字中的地址碼字段后 當指令的地址字段為寄存器時當指令的地址字段為寄存器時 可擴大指令的尋址范圍可擴大指令的尋址范圍 可縮短指令字長可縮短指令字長 可減少訪存次數可減少訪存次數 三地址三地址 OP

6、R1, R2, R3 二地址二地址 OP R1, R2 一地址一地址 OP R1 指令執(zhí)行階段不訪存指令執(zhí)行階段不訪存 可縮短指令字長可縮短指令字長第四章第四章 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)計算機組成與結構4.2 4.2 尋尋 址址 方方 式式尋址方式尋址方式 確定確定 本條指令本條指令 的的 操作數地址操作數地址下一條下一條 欲執(zhí)行欲執(zhí)行 指令指令 的的 指令地址指令地址指令尋址指令尋址數據尋址數據尋址尋址方式尋址方式第四章第四章 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)計算機組成與結構4.2 4.2 尋尋 址址 方方 式式一、指令尋址一、指令尋址順序順序( PC ) + 1 PC跳躍跳躍由轉移指令指出由轉移指令指出LDA 1

7、000ADD 1001DEC 1200JMP 7LDA 2000SUB 2001INCSTA 2500LDA 1100.0123456789PC+1指令地址尋址方式指令地址尋址方式指令地址指令地址指令指令順序尋址順序尋址1順序尋址順序尋址2順序尋址順序尋址3跳躍尋址跳躍尋址7順序尋址順序尋址8第四章第四章 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)計算機組成與結構二、數據尋址二、數據尋址 形式地址形式地址 指令字中的地址指令字中的地址 有效地址有效地址 操作數的真實地址操作數的真實地址 約定約定 指令字長指令字長 = 存儲字長存儲字長 = 機器字長機器字長形式地址形式地址 A操作碼操作碼尋址特征尋址特征第四章第四章 指

8、令系統(tǒng)指令系統(tǒng)計算機組成與結構1. 立即尋址立即尋址 指令執(zhí)行階段不訪存指令執(zhí)行階段不訪存 A 的位數限制了立即數的范圍的位數限制了立即數的范圍OP # A立即尋址特征立即尋址特征立即數立即數 可正可負可正可負 補碼補碼形式地址形式地址 A 就是操作數就是操作數二、數據尋址二、數據尋址 第四章第四章 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)計算機組成與結構2. 直接尋址直接尋址EA = A操作數操作數主存主存尋址特征尋址特征LDAAAACC 執(zhí)行階段訪問一次存儲器執(zhí)行階段訪問一次存儲器 A 的位數決定了該指令操作數的尋址范圍的位數決定了該指令操作數的尋址范圍 操作數的地址不易修改（必須修改操作數的地址不易修改（必須修

9、改A）有效地址由形式地址直接給出有效地址由形式地址直接給出第四章第四章 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)計算機組成與結構3. 隱含尋址隱含尋址操作數地址隱含在操作碼中操作數地址隱含在操作碼中ADDA操作數操作數主存主存尋址特征尋址特征AACC暫存暫存ALU另一個操作數另一個操作數隱含在隱含在 ACC 中中如如 8086MUL 指令指令被乘數隱含在被乘數隱含在 AX（16位）或位）或 AL（8位）中位）中MOVS 指令指令源操作數的地址隱含在源操作數的地址隱含在 SI 中中目的操作數的地址隱含在目的操作數的地址隱含在 DI 中中 指令字中少了一個地址字段，可縮短指令字長指令字中少了一個地址字段，可縮短指令字長第

10、四章第四章 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)計算機組成與結構4. 間接尋址間接尋址EA =（A） 有效地址由形式地址間接提供有效地址由形式地址間接提供OPA尋址特征尋址特征AEA主存主存EAA1EA A1主存主存 EA10 執(zhí)行指令階段執(zhí)行指令階段 2 次訪存次訪存 可擴大尋址范圍可擴大尋址范圍 便于編制程序便于編制程序OPA尋址特征尋址特征A一次間址一次間址多次間址多次間址操作數操作數操作數操作數多次訪存多次訪存第四章第四章 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)計算機組成與結構 子程序子程序主程序主程序8081201202轉轉 子程序子程序轉轉 子程序子程序間接尋址編程舉例間接尋址編程舉例(A) = 81(A) = 202 間

11、址特征間址特征JMP A 第四章第四章 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)計算機組成與結構5. 寄存器尋址寄存器尋址EA = Ri 執(zhí)行階段不訪存，只訪問寄存器，執(zhí)行速度快執(zhí)行階段不訪存，只訪問寄存器，執(zhí)行速度快OPRi尋址特征尋址特征 寄存器個數有限，可縮短指令字長寄存器個數有限，可縮短指令字長操作數操作數R0RiRn寄存器寄存器有效地址即為寄存器編號有效地址即為寄存器編號第四章第四章 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)計算機組成與結構EA = ( Ri )6. 寄存器間接尋址寄存器間接尋址 有效地址在寄存器中，有效地址在寄存器中， 操作數在存儲器中，執(zhí)行階段訪存操作數在存儲器中，執(zhí)行階段訪存操作數操作數主存主存OPRi尋址特

12、征尋址特征 便于編制循環(huán)程序便于編制循環(huán)程序地址地址R0RiRn寄存器寄存器有效地址在寄存器中有效地址在寄存器中第四章第四章 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)計算機組成與結構7. 基址尋址基址尋址(1) 采用專用寄存器作基址寄存器采用專用寄存器作基址寄存器EA = (RB ) + ARB 為基址寄存器為基址寄存器OPA操作數操作數主存主存尋址特征尋址特征ALURB 可擴大尋址范圍可擴大尋址范圍 便于程序搬家便于程序搬家RB 內容由操作系統(tǒng)或管理程序確定內容由操作系統(tǒng)或管理程序確定 在程序的執(zhí)行過程中在程序的執(zhí)行過程中 RB 內容不變，形式地址內容不變，形式地址 A 可變可變第四章第四章 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)計算機

13、組成與結構(2) 采用通用寄存器作基址寄存器采用通用寄存器作基址寄存器操作數操作數主存主存尋址特征尋址特征ALUOPR0AR0 作基址寄存器作基址寄存器 由用戶指定哪個通用寄存器作為基址寄存器由用戶指定哪個通用寄存器作為基址寄存器通用寄存器通用寄存器R0Rn-1R1 基址寄存器的內容由操作系統(tǒng)確定基址寄存器的內容由操作系統(tǒng)確定 在程序的執(zhí)行過程中在程序的執(zhí)行過程中 R0 內容不變，形式地址內容不變，形式地址 A 可變可變第四章第四章 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)計算機組成與結構8. 變址尋址變址尋址EA = ( RX ) +AOPA操作數操作數主存主存尋址特征尋址特征ALURX 可擴大尋址范圍可擴大尋址范

14、圍 便于處理數組問題便于處理數組問題 RX 的內容由用戶給定的內容由用戶給定 RX 為變址寄存器（專用）為變址寄存器（專用） 在程序的執(zhí)行過程中在程序的執(zhí)行過程中 RX 內容可變，形式地址內容可變，形式地址 A 不變不變通用寄存器也可以作為變址寄存器通用寄存器也可以作為變址寄存器第四章第四章 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)計算機組成與結構例例 設數據塊首地址為設數據塊首地址為 D，求求 N 個數的平均值個數的平均值直接尋址直接尋址變址尋址變址尋址LDA DADD D + 1ADD D + 2ADD D + ( N -1 )DIV # NSTA ANSLDA # 0LDX # 0INXCPX # NBNE M

15、DIV # NSTA ANS共共 N + 2 條指令條指令共共 8 條指令條指令ADD X, DMX 為變址寄存器為變址寄存器D 為形式地址為形式地址(X) 和和 #N 比較比較(X) +1 X結果不為零則轉結果不為零則轉第四章第四章 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)計算機組成與結構9. 相對尋址相對尋址 EA = ( PC ) + AA 是相對于當前指令的位移量（可正可負，補碼）是相對于當前指令的位移量（可正可負，補碼） A 的位數決定操作數的尋址范圍的位數決定操作數的尋址范圍 程序浮動程序浮動 廣泛用于轉移指令廣泛用于轉移指令操作數操作數尋址特征尋址特征ALUOPA相對距離相對距離 A1000PC主存主存

16、1000AOP第四章第四章 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)計算機組成與結構 (1) 相對尋址舉例相對尋址舉例M 隨程序所在存儲空間的位置不同而不同隨程序所在存儲空間的位置不同而不同EA = ( M+3 ) 3 = M 3*LDA # 0LDX # 0ADD X, DINXCPX # NBNE MDIV # NSTA ANSMM+1M+2M+3而指令而指令 BNE 與與 指令指令 ADD X, D 相對位移量不變相對位移量不變 3* 指令指令 BNE操作數的有效地址為操作數的有效地址為 3* 相對尋址特征相對尋址特征*第四章第四章 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)計算機組成與結構(2) 按字節(jié)尋址的相對尋址舉例按字節(jié)尋址的相

17、對尋址舉例OP位移量位移量2000 H2008 H8JMP * + 8OP06 H2000 H2008 H8設設 當前指令地址當前指令地址 PC = 2000H轉移后的目的地址為轉移后的目的地址為 2008H因為因為 取出取出 JMP * + 8 后后 PC = 2002H二字節(jié)指令二字節(jié)指令故故 JMP * + 8 指令指令 的第二字節(jié)為的第二字節(jié)為 2008H - 2002H = 6H第四章第四章 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)計算機組成與結構10. 堆棧尋址堆棧尋址(1) 堆棧的特點堆棧的特點堆棧堆棧硬堆棧硬堆棧軟堆棧軟堆棧多個寄存器多個寄存器指定的存儲空間指定的存儲空間先進后出先進后出（一個入出口）

18、（一個入出口） 棧頂地址棧頂地址 由由 SP 指出指出 11FFFH +12000 H進棧進棧 （SP） 1 SP出棧出棧 （SP）+ 1 SP棧頂棧頂棧底棧底2000 HSP2000 H1FFF HSP1FFFH棧頂棧頂棧底棧底進棧進棧出棧出棧 1FFF H棧頂棧頂 2000 H棧頂棧頂第四章第四章 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)計算機組成與結構(2) 堆棧尋址舉例堆棧尋址舉例15200HACCSPX棧頂棧頂200H棧底棧底主存主存151FFHACCSP15棧頂棧頂200H棧底棧底主存主存X1FFHPUSH A 前前PUSH A 后后POP A 前前POP A 后后Y1FFHACCSPX棧頂棧頂200H棧

19、底棧底主存主存151FFH15200HACCSP棧頂棧頂200H棧底棧底主存主存X15第四章第四章 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)計算機組成與結構(3) SP 的修改與主存編址方法有關的修改與主存編址方法有關 按按 字字 編址編址進棧進棧出棧出棧（SP） 1 SP（SP）+ 1 SP 按按 字節(jié)字節(jié) 編址編址存儲字長存儲字長 16 位位進棧進棧出棧出棧（SP） 2 SP（SP）+ 2 SP存儲字長存儲字長 32 位位進棧進棧出棧出棧（SP） 4 SP（SP）+ 4 SP第四章第四章 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)計算機組成與結構4.3 4.3 指令的類型指令的類型一、一、 傳送類指令傳送類指令源源目的目的寄存器寄存器寄存

20、器寄存器寄存器寄存器寄存器寄存器存儲器存儲器存儲器存儲器存儲器存儲器存儲器存儲器置置“1”，清，清“0”二、運算類指令二、運算類指令加、減、乘、除、增加、減、乘、除、增 1、減、減 1、求補、浮點運算、十進制運算、求補、浮點運算、十進制運算與、或、非、異或、位操作、位測試、位清除、位求反與、或、非、異或、位操作、位測試、位清除、位求反如如 8086MOVESTORELOADMOVEPUSHPOP例如例如MOVEMOVEADD SUB MUL DIV INC DEC CMP NEG AAA AAS AAM AAD AND OR NOT XOR TEST第四章第四章 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)計算機組成與結

21、構三、三、 移位類指令移位類指令算術移位算術移位四、四、 程序控制類指令程序控制類指令(1) 無條件轉移無條件轉移 JMP(2) 條件轉移條件轉移結果為零轉結果為零轉 （Z = 1） JZ結果溢出轉結果溢出轉 （O = 1）JO結果有進位轉（結果有進位轉（C = 1）JC跳過一條指令跳過一條指令 SKP循環(huán)移位（帶進位和不帶進位）循環(huán)移位（帶進位和不帶進位）如如300305306307SKP DZ D = 0 則跳則跳邏輯移位邏輯移位完成觸發(fā)器完成觸發(fā)器4.3 4.3 指令的類型指令的類型第四章第四章 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)計算機組成與結構(3) 調用和返回調用和返回CALL SUB1. .CALL

22、 SUB2.CALL SUB2RETURNRETURN.主程序主程序地址地址200021002101子程序子程序SUB1240025002501256025612700主存空間分配主存空間分配程序執(zhí)行流程程序執(zhí)行流程子程序子程序SUB24.3 4.3 指令的類型指令的類型第四章第四章 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)計算機組成與結構IN AX, nOUT DX, ALOUT n, AXOUT DX, AX(4) 陷阱（陷阱（Trap）與陷阱指令與陷阱指令意外事故的中斷意外事故的中斷 設置供用戶使用的陷阱指令設置供用戶使用的陷阱指令如如 8086 INT TYPE 軟中斷軟中斷提供給用戶使用的陷阱指令，完成系統(tǒng)

23、調用提供給用戶使用的陷阱指令，完成系統(tǒng)調用五、五、 輸入輸出指令輸入輸出指令 一般不提供給用戶直接使用一般不提供給用戶直接使用 在出現事故時，由在出現事故時，由 CPU 自動產生并執(zhí)行（隱指令）自動產生并執(zhí)行（隱指令）IN AL, DXIN AX, DX入入 端口地址端口地址 CPU 的寄存器的寄存器出出 CPU 的寄存器的寄存器 端口地址端口地址如如如如IN AL, nOUT n, AL4.3 4.3 指令的類型指令的類型第四章第四章 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)計算機組成與結構4.4 RISC 4.4 RISC 技技 術術 一、一、RISC 的產生和發(fā)展的產生和發(fā)展 80 20 規(guī)律規(guī)律 典型程序中典

24、型程序中 80% 的語句僅僅使的語句僅僅使 用處理機中用處理機中 20% 的指令的指令 執(zhí)行頻度高的簡單指令，因復雜指令執(zhí)行頻度高的簡單指令，因復雜指令 的存在，執(zhí)行速度無法提高的存在，執(zhí)行速度無法提高RISC（Reduced Instruction Set Computer）CISC（Complex Instruction Set Computer） RISC技術技術 能否用能否用 20% 的簡單指令組合不常用的的簡單指令組合不常用的 80% 的指令功能的指令功能？第四章第四章 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)計算機組成與結構二、二、RISC 的主要特征的主要特征 選用使用頻率較高的一些選用使用頻率較高的一

25、些 簡單指令簡單指令 復雜指令的功能由簡單指令來組合復雜指令的功能由簡單指令來組合 指令指令 長度固定長度固定 只有只有 LOAD / STORE 指令訪存指令訪存 流水技術流水技術 一個時鐘周期一個時鐘周期 內完成一條指令內完成一條指令 組合邏輯組合邏輯 實現控制器實現控制器 多個多個 通用通用 寄存器寄存器 采用采用 優(yōu)化優(yōu)化 的的 編譯編譯 程序程序 第四章第四章 指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)計算機組成與結構三、三、CISC 的主要特征的主要特征 系統(tǒng)指令系統(tǒng)指令 復雜龐大復雜龐大，各種指令使用頻度相差大，各種指令使用頻度相差大 指令指令 長度不固定長度不固定、指令格式種類多指令格式種類多、尋址方式多尋址方式多 訪存訪存 指令指令 不受限制不受限制 大大多數指令需要多數指令需要 多個時鐘周期多個時鐘周期 執(zhí)行完畢執(zhí)行完畢 采用采用 微程序微程序 控制器控制器 CPU 中設有中設有 專用寄存器專用寄存器 難以難以 用用 優(yōu)化編譯優(yōu)化編譯 生成高效的目的代碼生成高效的目的代碼 第四章第四章