第7章 指令系統(tǒng)

1、課程性質(zhì)課程性質(zhì): 專(zhuān)業(yè)必修核心基礎(chǔ)課程專(zhuān)業(yè)必修核心基礎(chǔ)課程學(xué)分學(xué)分: 3考核形式考核形式: 閉卷考試閉卷考試 選用教材：選用教材： 唐朔飛，計(jì)算機(jī)組成原理（第2版），高等教育出版社，2008年。 參考教材參考教材: (1)蔣本珊編著，計(jì)算機(jī)組成原理學(xué)習(xí)指導(dǎo)與習(xí)題解析，清華大學(xué)出版社，2005年。 (2)白中英主編，計(jì)算機(jī)組成原理（第三版.網(wǎng)絡(luò)版），科學(xué)出版社，2003年。 (3)俸遠(yuǎn)禎主編，計(jì)算機(jī)組成原理(修訂本) ，電子工業(yè)出版社， 2003年。 (4) 蔣本珊計(jì)算機(jī)組成原理（第2版）北京：清華大學(xué)出版社，2008湖南商學(xué)院計(jì)算機(jī)與電子工程學(xué)院湖南商學(xué)院計(jì)算機(jī)與電子工程學(xué)院計(jì)算機(jī)組成原理與

2、匯編語(yǔ)言程序計(jì)算機(jī)組成原理與匯編語(yǔ)言程序教學(xué)課程組教學(xué)課程組第章第章 指指 令令 系系 統(tǒng)統(tǒng)7.1 機(jī)器指令機(jī)器指令 7.2 操作數(shù)類(lèi)型和操作類(lèi)型操作數(shù)類(lèi)型和操作類(lèi)型 7.3 尋址方式尋址方式 7.4 指令格式舉例指令格式舉例 7.5 RISC 技術(shù)技術(shù) 指令的長(zhǎng)度：一條指令中所包含的位數(shù)，它取決指令的長(zhǎng)度：一條指令中所包含的位數(shù)，它取決于操作碼字段的長(zhǎng)度、操作數(shù)（地址）的個(gè)數(shù)及長(zhǎng)于操作碼字段的長(zhǎng)度、操作數(shù)（地址）的個(gè)數(shù)及長(zhǎng)度。度。指令長(zhǎng)度不一定與機(jī)器字長(zhǎng)相等：指令長(zhǎng)度不一定與機(jī)器字長(zhǎng)相等：定長(zhǎng)指令：定長(zhǎng)指令：指令系統(tǒng)中，若所有指令的長(zhǎng)度指令系統(tǒng)中，若所有指令的長(zhǎng)度都是相等；都是相等；變長(zhǎng)指令

3、：變長(zhǎng)指令：指令的長(zhǎng)度隨指令功能而異。指令的長(zhǎng)度隨指令功能而異。7.1 機(jī)機(jī) 器器 指指 令令一、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 指令系統(tǒng)中的每一條指令都有一個(gè)唯一確定的操作指令系統(tǒng)中的每一條指令都有一個(gè)唯一確定的操作碼，指令不同，其操作碼的編碼也不同。希望用盡可碼，指令不同，其操作碼的編碼也不同。希望用盡可能短的操作碼字段來(lái)表達(dá)全部的指令。能短的操作碼字段來(lái)表達(dá)全部的指令。l 指令操作碼的編碼可以分為指令操作碼的編碼可以分為： 操作碼固定（規(guī)整型）：操作碼固定（規(guī)整型）： 操作碼部分定長(zhǎng)編碼操作碼部分定長(zhǎng)編碼 操作碼不固定（非規(guī)整型）：操作碼不固

4、定（非規(guī)整型）：操作碼部分變長(zhǎng)編碼操作碼部分變長(zhǎng)編碼 l指令的操作碼指令的操作碼操作碼操作碼地址碼地址碼指令的基本格式指令的基本格式（1）規(guī)整型（定長(zhǎng)編碼）規(guī)整型（定長(zhǎng)編碼）l 操作碼字段的位數(shù)和位置是固定的。操作碼字段的位數(shù)和位置是固定的。假定：指令系統(tǒng)共有假定：指令系統(tǒng)共有m條指令，指令中操作碼字條指令，指令中操作碼字段的位數(shù)為段的位數(shù)為N 位，則有如下關(guān)系式：位，則有如下關(guān)系式： N log2 m定長(zhǎng)編碼有利于簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)、減少指令譯碼定長(zhǎng)編碼有利于簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)、減少指令譯碼的時(shí)間；的時(shí)間；存在冗余。存在冗余。F IBM 370機(jī)（字長(zhǎng)機(jī)（字長(zhǎng)32位）的指令可分為三種位）的指令可分為三種

5、 不不同的長(zhǎng)度同的長(zhǎng)度,不論指令的長(zhǎng)度為多少位，其中操作碼不論指令的長(zhǎng)度為多少位，其中操作碼字段一律都是字段一律都是8位。（冗余位。（冗余183/256）例 IBM 370 機(jī)的指令格式機(jī)的指令格式OPOPOPOPOPD2D1D1D2D2R1R1R1R2R2L1B1B2B2B2X2B1I28888844444444444881212121212RR型RX型RS型SI型SS型單字長(zhǎng)指令單字長(zhǎng)指令半字長(zhǎng)指令半字長(zhǎng)指令1個(gè)半字長(zhǎng)指令個(gè)半字長(zhǎng)指令（2）非規(guī)整型（變長(zhǎng)碼）非規(guī)整型（變長(zhǎng)碼）l 操作碼字段的位數(shù)不固定，且分散設(shè)置在指令操作碼字段的位數(shù)不固定，且分散設(shè)置在指令字的不同位置上。字的不同位置上。

6、 能有效的壓縮程序中指令碼字段的平均長(zhǎng)度，能有效的壓縮程序中指令碼字段的平均長(zhǎng)度，讓高頻指令的操作碼較短；讓高頻指令的操作碼較短； 操作碼字段的位數(shù)和位置不固定將增加指令譯操作碼字段的位數(shù)和位置不固定將增加指令譯碼和分析的難度，使控制器的設(shè)計(jì)復(fù)雜化碼和分析的難度，使控制器的設(shè)計(jì)復(fù)雜化。 例 PDP-11機(jī)（機(jī)（Digital Equipment Corp. 70年代生產(chǎn)的年代生產(chǎn)的字長(zhǎng)字長(zhǎng)16位的小型計(jì)算機(jī)）的指令分為單字長(zhǎng)、兩字長(zhǎng)、位的小型計(jì)算機(jī)）的指令分為單字長(zhǎng)、兩字長(zhǎng)、三字長(zhǎng)三種，操作碼字段占三字長(zhǎng)三種，操作碼字段占416位不等，可遍及整個(gè)位不等，可遍及整個(gè)指令長(zhǎng)度；指令長(zhǎng)度；F目前的微

7、型計(jì)算機(jī)也廣泛采用。目前的微型計(jì)算機(jī)也廣泛采用。7 PDP-11PDP-11機(jī)的指令格式機(jī)的指令格式OPRR846261316OPS844OPOPOPOPOPOP1616SDD1683DDXSS66666610單字長(zhǎng)(16位)二字長(zhǎng)(32位)三字長(zhǎng)(48位)地址地址1地址2【例例】設(shè)某機(jī)器的指令長(zhǎng)度為設(shè)某機(jī)器的指令長(zhǎng)度為16位，操作碼字段位，操作碼字段為為4位，有三個(gè)位，有三個(gè)4位的地址碼字段。如果按照位的地址碼字段。如果按照規(guī)整規(guī)整型型編碼的方法，編碼的方法，4位操作碼字段最多只能表示位操作碼字段最多只能表示24 （16）條不同的）條不同的 （三地址）指令。（三地址）指令。 如采用非規(guī)整碼（

8、不定長(zhǎng)編碼），則可編出如采用非規(guī)整碼（不定長(zhǎng)編碼），則可編出61條條不同地址長(zhǎng)度不同地址長(zhǎng)度的指令。的指令。（3）操作碼的擴(kuò)展）操作碼的擴(kuò)展 編碼方法編碼方法見(jiàn)后見(jiàn)后OPOPA A1 1A A2 2A A3 34 4位位4 4位位4 4位位4 4位位擴(kuò)展操作碼法（續(xù)）擴(kuò)展操作碼法（續(xù)）OPOPA A1 1A A2 2A A3 34 4位位4 4位位4 4位位4 4位位OPOP1515條三地址指令條三地址指令0000 0000 XXXX YYYY ZZZZXXXX YYYY ZZZZ1110 XXXX YYYY ZZZZ1110 XXXX YYYY ZZZZ111111111515條二地址指令條

9、二地址指令11111111 0000 0000 XXXX YYYYXXXX YYYY1111 1110 XXXX YYYY1111 1110 XXXX YYYY1111 11111111 11111515條一地址指令條一地址指令1111 11111111 1111 0000 0000 XXXXXXXX1111 1111 1110 XXXX1111 1111 1110 XXXX1111 1111 11111111 1111 11111616條零地址指令條零地址指令1111 1111 11111111 1111 1111 0000 00001111 1111 1111 11111111 1111

10、1111 1111擴(kuò)展窗口擴(kuò)展窗口 擴(kuò)展窗口擴(kuò)展窗口擴(kuò)展窗口擴(kuò)展窗口 OPOPA1A1A2A2OPOPA1A1OPOP擴(kuò)展規(guī)則：擴(kuò)展規(guī)則： 短碼不能是長(zhǎng)碼的前綴；短碼不能是長(zhǎng)碼的前綴； 操作碼不能重復(fù)，格式安排要操作碼不能重復(fù)，格式安排要 統(tǒng)一。統(tǒng)一。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(shù)地址第一操作數(shù)地址A2 第二操作數(shù)地址第二操作數(shù)地址A3 結(jié)果的地址結(jié)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 ，為三地，為三地址指令址指令(A1) OP (A2) A38 8 8 8 OP A1

11、A2 A3(A1) OP (A2) A34 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 A2 代替，代替，為二地址指令為二地址指令 設(shè)指令字長(zhǎng)為設(shè)指令字長(zhǎng)為 32 位位操作碼固定為操作碼固定為 8 位位(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），為一地址指令為一地址指令若結(jié)果存于若結(jié)果存于 ACC (4) 一地址一地址(5) 零地址零地址OP A18 24無(wú)地址碼無(wú)地址碼(ACC) OP (

12、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次訪存次訪存二、指令字長(zhǎng)二、指令字長(zhǎng)指令字長(zhǎng)決定于指令字長(zhǎng)決定于操作碼的長(zhǎng)度操作碼的長(zhǎng)度指令字長(zhǎng)指令字長(zhǎng) = 存儲(chǔ)字長(zhǎng)存儲(chǔ)字長(zhǎng) 2. 指令字長(zhǎng)指令字長(zhǎng) 可變可變 操作數(shù)地址的長(zhǎng)度操作數(shù)地址的長(zhǎng)度 操作數(shù)地址的個(gè)數(shù)操作數(shù)地址的個(gè)數(shù) 1. 指令字長(zhǎng)指令字長(zhǎng) 固定固定 按字節(jié)的倍數(shù)變按字節(jié)的倍數(shù)變 化化l小結(jié)小結(jié) 當(dāng)用一些硬件資源代替指令字中的地址碼字段當(dāng)用一些硬件資源代替指令字中的地址碼字段 當(dāng)指令的地址字段為寄存器時(shí)當(dāng)指令的地址字段為寄存器時(shí) 可擴(kuò)大指令的尋址范圍可擴(kuò)大指令的尋址范圍 可縮

13、短指令字長(zhǎng)可縮短指令字長(zhǎng) 可減少訪存次數(shù)可減少訪存次數(shù) 三地址三地址 OP R1, R2, R3 二二地址地址 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(zhǎng)可縮短指令字長(zhǎng)7.2 操作數(shù)類(lèi)型和操作種類(lèi)操作數(shù)類(lèi)型和操作種類(lèi) 一、操作數(shù)類(lèi)型一、操作數(shù)類(lèi)型 地址地址 數(shù)字?jǐn)?shù)字 字符字符 邏邏 輯數(shù)輯數(shù)無(wú)符號(hào)無(wú)符號(hào) 整數(shù)整數(shù)定點(diǎn)數(shù)、浮點(diǎn)數(shù)、十進(jìn)制定點(diǎn)數(shù)、浮點(diǎn)數(shù)、十進(jìn)制 數(shù)數(shù)ASCII 邏輯運(yùn)算邏輯運(yùn)算 二、數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)器中的存放方式二、數(shù)據(jù)在存儲(chǔ)器中的存放方式字地址字地址為為低字節(jié)低字節(jié) 地址地址字地址字地址為為高字節(jié)高字節(jié) 地址地址37621540

14、字地址字地址04低字節(jié)低字節(jié)04512673 字地址字地址04低字節(jié)低字節(jié)l存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)存放（存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)存放（存儲(chǔ)字長(zhǎng)為存儲(chǔ)字長(zhǎng)為 32 位位）地址（十進(jìn)制）地址（十進(jìn)制） 0 4 812162024283236雙字雙字雙字（地址雙字（地址3232）雙字雙字雙字（地址雙字（地址2424）半字（地址半字（地址2020）半字（地址半字（地址2222）半字（地址半字（地址1616）半字（地址半字（地址1818）字節(jié)（地址字節(jié)（地址 8 8）字節(jié)（地址字節(jié)（地址 9 9）字節(jié)（地址字節(jié)（地址1010）字節(jié)（地址字節(jié)（地址1111）字（地址字（地址 4 4）字（地址字（地址 0 0）字節(jié)（地址字節(jié)

15、（地址1414）字節(jié)（地址字節(jié)（地址1515）字節(jié)（地址字節(jié)（地址1313） 字節(jié)（地址字節(jié)（地址1212）邊界對(duì)準(zhǔn)邊界對(duì)準(zhǔn)地址（十進(jìn)制地址（十進(jìn)制）048字節(jié)字節(jié)( 地址地址7)字節(jié)字節(jié)( 地址地址6)字字( 地址地址2)半字半字( 地址地址10)半字半字( 地址地址8)半字半字( 地址地址0)字字( 地址地址4)邊界未對(duì)準(zhǔn)邊界未對(duì)準(zhǔn) 三、操作類(lèi)型三、操作類(lèi)型1. 數(shù)據(jù)傳送數(shù)據(jù)傳送源源 目的目的寄存器寄存器寄存器寄存器寄存器寄存器寄存器寄存器存存 儲(chǔ)器儲(chǔ)器存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器 存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器存儲(chǔ)器置置“1”，清，清“0”2. 算術(shù)邏輯操作算術(shù)邏輯操作加、減、乘、除、增加、減、乘、除、增 1、減、

16、減 1、求補(bǔ)、浮點(diǎn)運(yùn)算、十進(jìn)制運(yùn)算、求補(bǔ)、浮點(diǎn)運(yùn)算、十進(jìn)制運(yùn)算與、或、非、異或、位操作、位測(cè)試、位清除、位求反與、或、非、異或、位操作、位測(cè)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 TEST3. 移位操作移位操作算術(shù)移位算術(shù)移位4. 轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移(1) 無(wú)條件轉(zhuǎn)移無(wú)條件轉(zhuǎn)移 JMP(2) 條件轉(zhuǎn)移條件轉(zhuǎn)移結(jié)果為零轉(zhuǎn)結(jié)果為零轉(zhuǎn) （Z = 1） JZ結(jié)果溢出轉(zhuǎn)結(jié)果溢出轉(zhuǎn) （O = 1）JO結(jié)果有進(jìn)位轉(zhuǎn)結(jié)果有進(jìn)位轉(zhuǎn)（C

17、 = 1）JC跳過(guò)一條指令跳過(guò)一條指令 SKP循環(huán)移位（帶進(jìn)位和不帶進(jìn)位）循環(huán)移位（帶進(jìn)位和不帶進(jìn)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(3) 調(diào)用和返回調(diào)用和返回CALL SUB1.CALL SUB2.CALL SUB2RETURNRETURN 主程序主程序地地 址址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SUB2.IN AX, nOUT DX, ALOUT n, AXOUT DX, AX(4) 陷阱（陷阱（Tra

18、p）與陷阱指令與陷阱指令l意外事故的中斷意外事故的中斷 設(shè)置供用戶(hù)使用的陷阱指令設(shè)置供用戶(hù)使用的陷阱指令如如 8086 INT TYPE 軟中斷軟中斷提供給用戶(hù)使用的陷阱指令，完成系統(tǒng)調(diào)用提供給用戶(hù)使用的陷阱指令，完成系統(tǒng)調(diào)用5. 輸入輸出輸入輸出 一般不提供給用戶(hù)直接使用一般不提供給用戶(hù)直接使用 在出現(xiàn)事故時(shí)，由在出現(xiàn)事故時(shí)，由 CPU 自動(dòng)產(chǎn)生并執(zhí)行（隱指令）自動(dòng)產(chǎn)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, AL7.3 尋尋 址址 方方 式式尋址方

19、式尋址方式 確定確定 本條指令本條指令 的的 操作數(shù)地址操作數(shù)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(shù)據(jù)尋址數(shù)據(jù)尋址尋址方式尋址方式（1）編址單位）編址單位 字編址字編址 ： 編址單位編址單位=訪問(wèn)單位訪問(wèn)單位 每個(gè)編址單位所包含的信息量（二進(jìn)制位數(shù)）與讀每個(gè)編址單位所包含的信息量（二進(jìn)制位數(shù)）與讀或或 寫(xiě)一次寄存器、主存所獲得的信息量是相同的。早寫(xiě)一次寄存器、主存所獲得的信息量是相同的。早期的大多數(shù)機(jī)器都采用這種編址方式。期的大多數(shù)機(jī)器都采用這種編址方式。 特點(diǎn)：特點(diǎn)：控制簡(jiǎn)單、地址浪費(fèi)少；不支持非數(shù)值運(yùn)算：控制簡(jiǎn)單、地址浪費(fèi)少；不支持非數(shù)值運(yùn)算：編

20、址方式編址方式l尋址技術(shù)尋址技術(shù)尋址：尋址：尋找操作數(shù)的地址或下一條將要執(zhí)行的指尋找操作數(shù)的地址或下一條將要執(zhí)行的指令地址。尋址技術(shù)包括令地址。尋址技術(shù)包括編址方式編址方式和和尋址方式尋址方式。返回返回（1）編址單位（續(xù)）編址單位（續(xù)） 字節(jié)編址字節(jié)編址 字節(jié)編址為了適應(yīng)非數(shù)值計(jì)算的需要。字節(jié)編址字節(jié)編址為了適應(yīng)非數(shù)值計(jì)算的需要。字節(jié)編址方式使編址單位與信息的基本單位（一個(gè)字節(jié)）相方式使編址單位與信息的基本單位（一個(gè)字節(jié)）相一致（一致（最大優(yōu)點(diǎn)最大優(yōu)點(diǎn)）。然而，如果主存的訪問(wèn)單位也）。然而，如果主存的訪問(wèn)單位也是一個(gè)字節(jié)的話(huà)，那么主存的頻帶就太窄。是一個(gè)字節(jié)的話(huà)，那么主存的頻帶就太窄。 編址單

21、位編址單位 訪問(wèn)單位訪問(wèn)單位 通常主存的訪問(wèn)單位是編址單位的若干倍。造成通常主存的訪問(wèn)單位是編址單位的若干倍。造成 地址的浪費(fèi)。地址的浪費(fèi)。 位編址位編址 部分計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用位編址方式。地址浪費(fèi)最大。部分計(jì)算機(jī)系統(tǒng)采用位編址方式。地址浪費(fèi)最大。返回返回（2） 指令中地址碼的位數(shù)指令中地址碼的位數(shù)l 指令格式中每個(gè)地址碼的位數(shù)與主存容量和最小指令格式中每個(gè)地址碼的位數(shù)與主存容量和最小尋址單位（即編址單位）相關(guān)聯(lián)。主存容量越大，尋址單位（即編址單位）相關(guān)聯(lián)。主存容量越大，所需的地址碼位數(shù)就越長(zhǎng)。對(duì)于相同容量來(lái)說(shuō)，如所需的地址碼位數(shù)就越長(zhǎng)。對(duì)于相同容量來(lái)說(shuō)，如果以字節(jié)為最小尋址單位，地址碼的位數(shù)就需

22、要長(zhǎng)果以字節(jié)為最小尋址單位，地址碼的位數(shù)就需要長(zhǎng)些；如果以字為最小尋址單位（假定字長(zhǎng)為些；如果以字為最小尋址單位（假定字長(zhǎng)為1616位或位或更長(zhǎng)），地址碼的位數(shù)可以減少。更長(zhǎng)），地址碼的位數(shù)可以減少?！纠?設(shè)某機(jī)主存容量為設(shè)某機(jī)主存容量為220 個(gè)字節(jié)，機(jī)器字長(zhǎng)個(gè)字節(jié)，機(jī)器字長(zhǎng)32位。若最小尋址單位為字節(jié)（按字節(jié)編址），位。若最小尋址單位為字節(jié)（按字節(jié)編址），其地址碼應(yīng)為其地址碼應(yīng)為20位；若最小尋址單位為字（按字位；若最小尋址單位為字（按字編址），其地址碼只需編址），其地址碼只需18 (220/22 )位。位。返回返回7.3 尋尋 址址 方方 式式一、指令尋址一、指令尋址順順 序序( P

23、C ) + 1 PC跳躍跳躍 由轉(zhuǎn)移指令指出由轉(zhuǎn)移指令指出LDA 1000ADD 1001DEC 1200JMP 7LDA 2000SUB 2001INCSTA 2500LDA 1100.0123456789PC+1 指令地址指令地址 尋址方式尋址方式 指令地址指令地址指令指令 順序順序 1 順序順序 2 順序順序 3 跳躍跳躍 7 順序順序 8二、數(shù)據(jù)尋址二、數(shù)據(jù)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(shù)的真實(shí)地址操作數(shù)的真實(shí)地址 約定約定 指令字長(zhǎng)指令字長(zhǎng) = 存儲(chǔ)字長(zhǎng)存儲(chǔ)字長(zhǎng) = 機(jī)器字長(zhǎng)機(jī)器字長(zhǎng)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

24、訪存 A 的位數(shù)限制了立即數(shù)的范圍的位數(shù)限制了立即數(shù)的范圍形式地址形式地址 A操作碼操作碼尋址特征尋址特征OP # A立即尋址特征立即尋址特征立即數(shù)立即數(shù) 可正可負(fù)可正可負(fù) 補(bǔ)碼補(bǔ)碼形式地址形式地址 A 就是操作數(shù)就是操作數(shù)2. 直接尋址直接尋址EA = A操作數(shù)操作數(shù)主存主存尋址特征尋址特征LDAAAACC 執(zhí)行階段訪問(wèn)一次存儲(chǔ)器執(zhí)行階段訪問(wèn)一次存儲(chǔ)器 A 的位數(shù)決定了該指令操作數(shù)的尋址范圍的位數(shù)決定了該指令操作數(shù)的尋址范圍 操作數(shù)的地址不易修改（必須修改操作數(shù)的地址不易修改（必須修改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3. 隱含尋址隱含尋址l 操作數(shù)地址隱含在操作碼中操

25、作數(shù)地址隱含在操作碼中ADDA操作數(shù)操作數(shù) 主存主存 尋址特征尋址特征AACC暫暫 存存ALU另一個(gè)操作數(shù)另一個(gè)操作數(shù)隱含在隱含在 ACC 中中如如 8086MUL指令指令被乘數(shù)隱含在被乘數(shù)隱含在 AX（16位）或位）或 AL（8位）中位）中MOVS指令指令源操作數(shù)的地址隱含在源操作數(shù)的地址隱含在 SI 中中目的操作數(shù)的地址隱含在目的操作數(shù)的地址隱含在 DI 中中 指令字中少了一個(gè)地址字段，可縮短指令字長(zhǎng)指令字中少了一個(gè)地址字段，可縮短指令字長(zhǎng)4. 間接尋址間接尋址EA =（A）l 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主主

26、 存存 EA10 執(zhí)行指令階段執(zhí)行指令階段 2 次訪存次訪存 可擴(kuò)大尋址范圍可擴(kuò)大尋址范圍 便于編程便于編程O(píng)PA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 操作操作 數(shù)數(shù)操作數(shù)操作數(shù) 多次訪存多次訪存 子程序子程序主程序主程序8081201202調(diào)用子程序調(diào)用子程序調(diào)用子程序調(diào)用子程序間接尋址編程舉例間接尋址編程舉例(A) = 81(A) = 202 間址特征間址特征JMP A 【例例】設(shè)某機(jī)器字長(zhǎng)設(shè)某機(jī)器字長(zhǎng)16bit，主存容量為，主存容量為64K字字,指令格式指令格式為單字長(zhǎng)單地址，共為單字長(zhǎng)單地址，共64條指令。試說(shuō)明：條指令。試說(shuō)明：（1） 若只采用直接尋址方式，指令的訪存

27、空間若只采用直接尋址方式，指令的訪存空間=？ 答：答：64條指令，操作碼需條指令，操作碼需6位編碼，其余部分為直位編碼，其余部分為直接的地址碼接的地址碼=10位，能訪問(wèn)空間為：位，能訪問(wèn)空間為：210=1K字。字。（2） 為了擴(kuò)充指令的尋址范圍，可采用直接為了擴(kuò)充指令的尋址范圍，可采用直接/間接尋間接尋址方式（增加址方式（增加1位尋址方式標(biāo)志），指令的訪存空間位尋址方式標(biāo)志），指令的訪存空間？、直接尋址空間？、直接尋址空間=?答：答：64條指令，操作碼需條指令，操作碼需6位編碼，位編碼，1位位尋址方式尋址方式標(biāo)志，直接的地址碼標(biāo)志，直接的地址碼=9位，直接尋址空間為：位，直接尋址空間為：29=

28、0.5K字字; 間接尋址空間為：間接尋址空間為：216=64K字。訪存空間字。訪存空間=64K字。字。5. 寄存器尋址寄存器尋址EA = Ri 執(zhí)行階段不訪存，只訪問(wèn)寄存器，執(zhí)行速度快執(zhí)行階段不訪存，只訪問(wèn)寄存器，執(zhí)行速度快OPRi尋址特征尋址特征 寄存器個(gè)數(shù)有限，可縮短指令字長(zhǎng)寄存器個(gè)數(shù)有限，可縮短指令字長(zhǎng) 操作數(shù)操作數(shù)R0RiRn 寄存器寄存器l 有效地址即為寄存器編號(hào)有效地址即為寄存器編號(hào)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，操作數(shù)在存儲(chǔ)器中，執(zhí)行階段訪存有效地址在寄存器中，操作數(shù)在存儲(chǔ)器中，執(zhí)行階段訪存操作數(shù)操作數(shù)主存主存 OPRi尋址特征尋址

29、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l 有效地址在寄存器中有效地址在寄存器中7. 基址尋址基址尋址(1) 采用專(zhuān)用寄存器作基址寄存器采用專(zhuān)用寄存器作基址寄存器EA = ( BR ) + ABR 為基址寄存器為基址寄存器OPA操作數(shù)操作數(shù)主存主存尋址特征尋址特征ALUBR 可擴(kuò)大尋址范圍可擴(kuò)大尋址范圍 有利于多道程序有利于多道程序 BR 內(nèi)容由操作系統(tǒng)或管理程序確定內(nèi)容由操作系統(tǒng)或管理程序確定 在程序的執(zhí)行過(guò)程中在程序的執(zhí)行過(guò)程中 BR 內(nèi)容不變，形式地址內(nèi)容不變，形式地址A可變可變(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(shù)操作數(shù)主存

30、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(hù)指定哪個(gè)通用寄存器作為基址寄存器由用戶(hù)指定哪個(gè)通用寄存器作為基址寄存器通用寄存通用寄存 器器R0Rn-1R1 基址寄存器的內(nèi)容由操作系統(tǒng)確定基址寄存器的內(nèi)容由操作系統(tǒng)確定 在程序的執(zhí)行過(guò)程中在程序的執(zhí)行過(guò)程中 R0 內(nèi)容不變，形式地址內(nèi)容不變，形式地址 A 可變可變8. 變址尋址變址尋址EA = ( IX ) +AOPA 操作數(shù)操作數(shù)主存主存 尋址特征尋址特征ALUIX 可擴(kuò)大尋址范圍可擴(kuò)大尋址范圍 便于處理數(shù)組問(wèn)題便于處理數(shù)組問(wèn)題 IX 的內(nèi)容由用戶(hù)給定的內(nèi)容由用戶(hù)給定 IX 為變址寄存器（專(zhuān)用）為變址寄存器（專(zhuān)用）

31、 在程序的執(zhí)行過(guò)程中在程序的執(zhí)行過(guò)程中 IX 內(nèi)容可變，形式地址內(nèi)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例例 設(shè)數(shù)據(jù)塊首地址為設(shè)數(shù)據(jù)塊首地址為 D，求求 N 個(gè)數(shù)的平均值個(gè)數(shù)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 MDIV # NSTA ANS共共 N + 2 條指令條指令共共 8 條指令條指令A(yù)DD 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

32、比較比較(X) +1 X結(jié)果不為零則轉(zhuǎn)結(jié)果不為零則轉(zhuǎn)9. 相對(duì)尋址相對(duì)尋址 EA = ( PC ) + AA 是相對(duì)于當(dāng)前指令的位移量（可正可負(fù)，補(bǔ)碼）是相對(duì)于當(dāng)前指令的位移量（可正可負(fù)，補(bǔ)碼） A 的位數(shù)決定操作數(shù)的尋址范圍的位數(shù)決定操作數(shù)的尋址范圍 程序浮動(dòng)程序浮動(dòng) 廣泛用于轉(zhuǎn)移指令廣泛用于轉(zhuǎn)移指令 操作數(shù)操作數(shù)尋址特征尋址特征ALUOPA 相對(duì)距離相對(duì)距離 A1000PC 主存主存1000AOP (1) 相對(duì)尋址舉例相對(duì)尋址舉例M 隨程序所在存儲(chǔ)空間的位置不同而不同隨程序所在存儲(chǔ)空間的位置不同而不同EA = ( M+3 ) 3 = M 3*LDA # 0LDX # 0ADD X, DIN

33、XCPX # 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(duì)位移量不變相對(duì)位移量不變 3* 指令指令 BNE操作數(shù)的有效地址為操作數(shù)的有效地址為 3* 相對(duì)尋址特征相對(duì)尋址特征*(2) 按字節(jié)尋址的相對(duì)尋址舉例（按字節(jié)尋址的相對(duì)尋址舉例（1）OP位移量位移量2000 H2008 H8JMP * + 8OP06 H2000 H2008 H8設(shè)設(shè): 當(dāng)前指令地址當(dāng)前指令地址 PC = 2000H轉(zhuǎn)移后的目的地址為轉(zhuǎn)移后的目的地址為 2008H因?yàn)橐驗(yàn)?取出取出 JMP * + 8 后后 PC = 2002H二字節(jié)指令二字節(jié)指

34、令故故: JMP * + 8 指令的第二字節(jié)為指令的第二字節(jié)為 2008H - 2002H = 06Hl相當(dāng)于將整個(gè)主存空間分成若干大小相同的區(qū)相當(dāng)于將整個(gè)主存空間分成若干大小相同的區(qū)（稱(chēng)為一頁(yè)稱(chēng)為一頁(yè)），每頁(yè)有若干個(gè)主存單元。每頁(yè)都），每頁(yè)有若干個(gè)主存單元。每頁(yè)都有自己的編號(hào)（有自己的編號(hào)（頁(yè)面地址頁(yè)面地址）；頁(yè)面內(nèi)的每個(gè)主存）；頁(yè)面內(nèi)的每個(gè)主存單元也有自己的編號(hào)（單元也有自己的編號(hào)（頁(yè)內(nèi)地址頁(yè)內(nèi)地址）。）。l操作數(shù)的有效地址被分為兩部分：操作數(shù)的有效地址被分為兩部分： 頁(yè)內(nèi)地址頁(yè)內(nèi)地址頁(yè)面地址頁(yè)面地址（10）數(shù)據(jù)尋址）數(shù)據(jù)尋址頁(yè)面尋址頁(yè)面尋址（Page Addressing )返回返回指令

35、寄存器指令寄存器主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器OPA0頁(yè)頁(yè)1頁(yè)頁(yè)N-1頁(yè)頁(yè)指令指令所在頁(yè)所在頁(yè)0頁(yè)頁(yè)操作數(shù)操作數(shù)0頁(yè)頁(yè)l基頁(yè)尋址基頁(yè)尋址A頁(yè)內(nèi)地址頁(yè)內(nèi)地址頁(yè)面地址頁(yè)面地址EA操作數(shù)操作數(shù)3800000000000000000000380038255頁(yè)頁(yè)64K0000H00FFHFFFFH0000H00FFH 操作數(shù)在零頁(yè)，指令給出操作數(shù)在零頁(yè)中的頁(yè)內(nèi)地址。操作數(shù)在零頁(yè)，指令給出操作數(shù)在零頁(yè)中的頁(yè)內(nèi)地址。返回返回指令寄存器指令寄存器主存儲(chǔ)器主存儲(chǔ)器OPA0頁(yè)頁(yè)1頁(yè)頁(yè)N-1頁(yè)頁(yè)指令指令所在頁(yè)所在頁(yè)指令指令所在頁(yè)所在頁(yè)操作數(shù)操作數(shù)PCHPCLPCH程序計(jì)數(shù)器程序計(jì)數(shù)器l當(dāng)前頁(yè)尋址當(dāng)前頁(yè)尋址頁(yè)內(nèi)地址頁(yè)內(nèi)地址頁(yè)面地址

36、頁(yè)面地址EA操作數(shù)操作數(shù)APCH操作數(shù)操作數(shù)38382F852F2F38255頁(yè)頁(yè)64K0000H00FFHF操作數(shù)和指令在同一頁(yè)，頁(yè)面地址從操作數(shù)和指令在同一頁(yè)，頁(yè)面地址從PC的高位獲取，頁(yè)的高位獲取，頁(yè)內(nèi)地址由指令給出。內(nèi)地址由指令給出。F指令中的尋址特征位指令中的尋址特征位 (Z/C ) 指明是零頁(yè)或是當(dāng)前頁(yè)尋址。指明是零頁(yè)或是當(dāng)前頁(yè)尋址。返回返回OP2F H02400290 8 設(shè)設(shè): 當(dāng)相對(duì)尋址轉(zhuǎn)移指令占當(dāng)相對(duì)尋址轉(zhuǎn)移指令占3個(gè)字節(jié)：操作碼后個(gè)字節(jié)：操作碼后為為2字節(jié)的相對(duì)位移量（補(bǔ)碼），每當(dāng)字節(jié)的相對(duì)位移量（補(bǔ)碼），每當(dāng)CPU從存從存儲(chǔ)器取出一個(gè)字節(jié)時(shí)，即自動(dòng)（儲(chǔ)器取出一個(gè)字節(jié)時(shí)，

37、即自動(dòng)（PC)+1-PC （1） (PC)=240，要求轉(zhuǎn)移到，要求轉(zhuǎn)移到290，則轉(zhuǎn)移指令，則轉(zhuǎn)移指令的第二、三字節(jié)的機(jī)器代碼是多少。的第二、三字節(jié)的機(jī)器代碼是多少。數(shù)據(jù)以低數(shù)據(jù)以低字節(jié)地址為字地址的存放方式字節(jié)地址為字地址的存放方式答：答：(PC)=240，取指后，取指后，PC=243，要求轉(zhuǎn)移到，要求轉(zhuǎn)移到290，相對(duì)，相對(duì)位移量位移量=290-243=47=2FH，小端原則下，第二字節(jié)為，小端原則下，第二字節(jié)為2FH,第三字節(jié)第三字節(jié)00H 00H（2） (PC)=240，要求轉(zhuǎn)移到，要求轉(zhuǎn)移到200，則轉(zhuǎn)移指令的第二、三，則轉(zhuǎn)移指令的第二、三字節(jié)的機(jī)器代碼是多少。字節(jié)的機(jī)器代碼是多少

38、。數(shù)據(jù)以高字節(jié)地址為字地址存放。數(shù)據(jù)以高字節(jié)地址為字地址存放。 答：答：(PC)=240，取指后，取指后，PC=243，要求轉(zhuǎn)移到，要求轉(zhuǎn)移到200，相對(duì)，相對(duì)位移量位移量=200-243=-43=D5H，符號(hào)擴(kuò)展為，符號(hào)擴(kuò)展為FFD5H，大端原則，大端原則下，第二字節(jié)為下，第二字節(jié)為FFH,第三字節(jié)第三字節(jié)D5H【例例】設(shè)某機(jī)器字長(zhǎng)設(shè)某機(jī)器字長(zhǎng)16bit，主存容量為，主存容量為64K字字,指令格式指令格式為單字長(zhǎng)單地址，共為單字長(zhǎng)單地址，共64條指令。試說(shuō)明：條指令。試說(shuō)明：（4） 采用直接采用直接/間接、頁(yè)面尋址的組合尋址方式，指令間接、頁(yè)面尋址的組合尋址方式，指令的訪存空間？、直接尋址空

39、間的訪存空間？、直接尋址空間=?答：答：64條指令，操作碼需條指令，操作碼需6位編碼，位編碼， 1位位標(biāo)志、標(biāo)志、1位位Z/C標(biāo)志，直接的地址碼標(biāo)志，直接的地址碼=8位，直接尋址空間為：位，直接尋址空間為：28=0.25K字字; 間接尋址空間為：間接尋址空間為：216=64K字。訪存空間字。訪存空間=64K字。字?！纠吭O(shè)某機(jī)器字長(zhǎng)設(shè)某機(jī)器字長(zhǎng)16bit，主存容量為，主存容量為64K字字,指令格式采指令格式采用單字長(zhǎng)單地址，共用單字長(zhǎng)單地址，共50條指令。若有直接、間接、變址、條指令。若有直接、間接、變址、相對(duì)尋址四種尋址方式，試設(shè)計(jì)其格式。相對(duì)尋址四種尋址方式，試設(shè)計(jì)其格式。答：操作碼答：

40、操作碼6b、尋址方式、尋址方式2b、地址碼、地址碼8b11. 堆棧尋址堆棧尋址(1) 堆棧的特點(diǎn)堆棧的特點(diǎn)堆棧堆棧 硬堆棧硬堆棧軟堆棧軟堆棧多個(gè)寄存器多個(gè)寄存器指定的存儲(chǔ)空間指定的存儲(chǔ)空間先進(jìn)后出先進(jìn)后出（一個(gè)入出口）（一個(gè)入出口） 棧頂?shù)刂窏ｍ數(shù)刂?由由 SP 指出指出 11FFFH +12000 H進(jìn)棧進(jìn)棧 （SP） 1 SP出棧出棧 （SP）+ 1 SP棧棧 頂頂棧底棧底 2000 HSP2000 H1FFF HSP1FFFH棧頂棧頂棧底棧底 進(jìn)棧進(jìn)棧出棧出棧 1FFF H棧頂棧頂 2000 H棧頂棧頂(2) 堆棧尋址舉例堆棧尋址舉例15200HACCSP X棧頂棧頂 200H棧底棧底

41、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棧底棧底 主存主存 151FFH15200HACCSP棧頂棧頂 200H棧底棧底 主存主存 X15(3) SP 的修改與主存編址方法有關(guān)的修改與主存編址方法有關(guān) 按按字字編址編址進(jìn)棧進(jìn)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(chǔ)字長(zhǎng)存儲(chǔ)字長(zhǎng) 16 位位進(jìn)棧進(jìn)棧出棧出棧（SP） 2 SP（SP） + 2 SP存儲(chǔ)字長(zhǎng)存儲(chǔ)字長(zhǎng) 32 位位進(jìn)棧進(jìn)棧出棧出棧（SP） 4 SP（

42、SP） + 4 SP7.4 指令格式舉例指令格式舉例一、設(shè)計(jì)指令格式時(shí)應(yīng)考慮的各種因素一、設(shè)計(jì)指令格式時(shí)應(yīng)考慮的各種因素1. 指令系統(tǒng)的指令系統(tǒng)的 兼容性兼容性（向上兼容向上兼容）2. 其他因素其他因素操作類(lèi)型操作類(lèi)型數(shù)據(jù)類(lèi)型數(shù)據(jù)類(lèi)型指令格式指令格式 包括指令個(gè)數(shù)及操作的難易程度包括指令個(gè)數(shù)及操作的難易程度指令字長(zhǎng)是否固定指令字長(zhǎng)是否固定尋址方式尋址方式寄存器個(gè)數(shù)寄存器個(gè)數(shù)地址碼位數(shù)、地址個(gè)數(shù)、尋址方式類(lèi)型地址碼位數(shù)、地址個(gè)數(shù)、尋址方式類(lèi)型操作碼位數(shù)、是否采用擴(kuò)展操作碼技術(shù)，操作碼位數(shù)、是否采用擴(kuò)展操作碼技術(shù)，確定哪些數(shù)據(jù)類(lèi)型可參與操作確定哪些數(shù)據(jù)類(lèi)型可參與操作指令尋址、操作數(shù)尋址指令尋址、操

43、作數(shù)尋址寄存器的多少直接影響指令的執(zhí)行時(shí)間寄存器的多少直接影響指令的執(zhí)行時(shí)間? 指令中地址個(gè)數(shù)的選擇考慮指令中地址個(gè)數(shù)的選擇考慮 對(duì)于同一問(wèn)題，用對(duì)于同一問(wèn)題，用3地址指令編寫(xiě)的地址指令編寫(xiě)的程序程序最短，最短，但指令長(zhǎng)度最長(zhǎng)，而用但指令長(zhǎng)度最長(zhǎng)，而用2、1、0地址指令來(lái)編寫(xiě)程地址指令來(lái)編寫(xiě)程序，程序的長(zhǎng)度一個(gè)比一個(gè)長(zhǎng)，但指令的長(zhǎng)度一序，程序的長(zhǎng)度一個(gè)比一個(gè)長(zhǎng)，但指令的長(zhǎng)度一個(gè)比一個(gè)短。個(gè)比一個(gè)短。7 地址數(shù)指令的特點(diǎn)和適用場(chǎng)合地址數(shù)指令的特點(diǎn)和適用場(chǎng)合返回返回二、指令格式舉例二、指令格式舉例1. PDP 8指令字長(zhǎng)固定指令字長(zhǎng)固定 12 位位 操作碼操作碼 間間 頁(yè)頁(yè) 地址碼地址碼訪存類(lèi)指令

44、訪存類(lèi)指令 0235411寄存器類(lèi)指令寄存器類(lèi)指令 1 1 1 輔助操作碼輔助操作碼02 311I/O 類(lèi)指令類(lèi)指令 1 1 0 設(shè)備設(shè)備 操作碼操作碼02 31198采用擴(kuò)展操作碼技術(shù)采用擴(kuò)展操作碼技術(shù)2. PDP 11源地址源地址OP4 6 6 16 16目的地址目的地址存儲(chǔ)器地址存儲(chǔ)器地址1存儲(chǔ)器地址存儲(chǔ)器地址2OP10 6 16目的地址目的地址存儲(chǔ)器地址存儲(chǔ)器地址目的地址目的地址4 6 6源地址源地址OP 10 6目的地址目的地址OP-CODE16OP-CODE指令字長(zhǎng)有指令字長(zhǎng)有 16 位、位、32 位、位、48 位三種位三種零地址零地址 (16 位位)一地址一地址 (16 位位)二地址二地址 R R (16 位位)二地址二地址 R M (32 位位)二地址二地址 M M (48 位位)擴(kuò)展操作碼技術(shù)擴(kuò)展操作碼技術(shù)3. IBM 360OPR1R2 RR格式格式 8 4 4OPR1XBD RX格式格式 8 4 4 4 12OPR1R3