第十三講 指令系統(tǒng)

第十三講指令系統(tǒng)本講主要內容機器指令系統(tǒng)概述操作數(shù)類型和操作類型尋址方式指令格式舉例RISC技術機器指令構成及指令編碼本講將解決的主要問題2、指令是如何構成？3、為什么指令要這樣構成？1、指令是干什么的？4、指令系統(tǒng)及指令系統(tǒng)的演化過程如何？一、指令概述?用計算機解題時，一般都要編制程序，程序既可用高級語言編寫，亦可用機器語言編寫；但計算機只能夠識別和執(zhí)行用機器語言編寫的程序；?各種高級語言編寫的應用程序，最終都要翻譯成機器語言來執(zhí)行。?

機器語言是由一系列的指令（語句）組成的；?指令的格式就是機器語言的語法；?每條指令規(guī)定機器完成一定的功能。1、指令系統(tǒng)的發(fā)展從計算機組成的層次結構來說，計算機的指令有微指令、機器指令和宏指令之分。微指令是微程序級的命令，它屬于硬件；宏指令是由若干條機器指令組成的軟件指令，它屬于軟件；機器指令則介于微指令與宏指令之間，通常簡稱為指令，每一條指令可完成一個獨立的算術運算或邏輯運算操作。本章所討論的指令，是機器指令。一臺計算機的所有的指令集合稱為該機的指令系統(tǒng)或指令集。它是程序工作者編制程序的基本依據，也是進行計算機邏輯設計的基本依據。2、對指令系統(tǒng)的要求完備性：完備性是指用匯編語言編寫各種程序時，指令系統(tǒng)直接提供的指令足夠使用，而不必用軟件來實現(xiàn)。完備性要求指令系統(tǒng)豐富、功能齊全、使用方便。有效性：是指利用該指令系統(tǒng)所編寫的程序能夠高效率地運行。高效率主要表現(xiàn)在程序占據存儲空間小、執(zhí)行速度快。一般來說，一個功能更強、更完善的指令系統(tǒng)，必定有更好的有效性。

規(guī)整性：包括指令系統(tǒng)的對稱性、勻齊性、指令格式和數(shù)據格式的一致性。

兼容性：系列機各機種之間具有相同的基本結構和共同的基本指令集，因而指令系統(tǒng)是兼容的，即各機種上基本軟件可以通用。3、低級語言與硬件的關系計算機語言有高級語言和低級語言之分。高級語言如C，F(xiàn)ORTRAN等，其語句和用法與具體機器的指令系統(tǒng)無關。低級語言分機器語言(二進制語言)和匯編語言(符號語言)，這兩種語言都是面向機器的語言，它們和具體機器的指令系統(tǒng)密切相關。一條指令應包含如下信息：進行何種操作：即操作性質。體現(xiàn)在指令中被稱為操作碼。操作的對象：數(shù)據來源以及如何尋找操作數(shù)。體現(xiàn)在指令中被稱為地址碼操作結果：結果存放在何處。下一條指令又如何尋找？二、機器指令格式（一）、指令的一般格式操作碼字段

地址碼字段1.操作碼反映機器做什么操作操作碼所占的二進制位數(shù)決定了一臺計算機所能允許的指令條數(shù)。例如，操作碼占用六位二進制碼時，這臺計算機最多允許有：

26＝64條指令

固定長度操作碼是指操作碼所占的二進制位數(shù)固定不變，而且集中放在指令字的一個字段中。這種格式有利于簡化硬件設計，減少指令譯碼時間，廣泛用于字長較長的大、中型計算機和超級小型計算機中。例如IBM370和VAX﹣11系列機中,操作碼的長度都是8位，可表示256條指令。

(2)可變長度操作碼可變長度操作碼是操作碼擴展技術的應用，即操作碼的長度是可變的，且分散地放在指令的不同字段中。這種格式有利于壓縮程序中操作碼的平均長度，在字長較短的微型機中被廣泛應用。如：PDP－11，INTEL8086/80386等，其操作碼的長度均是可變的。(1)固定長度操作碼操作碼字段分兩種：

下圖是一種擴展操作碼的安排示意。

這是一個16位字長的指令碼，包括4位基本操作碼字段和三個4位長的地址字段。4位基本操作碼，若全部用于三地址指令，則有16條。

顯然，4位基本操作碼是不夠的，必須向地址碼字段擴展操作作碼的長度。其擴展方法及步驟如下：

OP

A1

A2

A3

4位4位4位4位①15條三地址指令的操作碼由4位基本操作碼0000~1110所給定，剩下一個1111則用于把操作碼擴展到X地址碼字段，即由4位擴展到8位；?②

14條二地址指令的操作碼由8位操作碼的1111,0000~1101給定，剩下的1111,1110和1111,1111又可用于把操作碼擴充到Y地址字段，即從8位又擴充到12位；

③

31條一地址指令的操作碼由12位操作碼的

1111,1110,0000~1111,1111,1110給定。

由此類堆，還可以把剩下的1111,1111,1111擴充到Z地址碼字段而形成的16位操作碼，這時還可由1111,1111,1111,0000~1111,1111,1111,1111給出16條零地址指令。

除了這種安排外，還有多種其它安排方法。如：形成15條三地址指令，12條二地址指令，31條一地址指令，16條零地址指令，共74條指令。實際的機器可以采用各種靈活的擴展方式，其思路與此類似。

11111111000011111111

1111000111111111

1111

111116零(3)擴展操作碼技術操作碼的位數(shù)隨地址數(shù)的減少而增加OPA1A2A3000000011110…A1A1A1…A2A2A2…A3A3A3…A2A2A2…A3A3A3…111111111111…000000011110…111111111111…111111111111…111111111111…000000011111…111111111111…111111111111…A3A3A3…000000011110…4位操作碼8位操作碼12位操作碼16位操作碼最多15條三地址指令最多15條二地址指令最多15條一地址指令16條零地址指令(3)擴展操作碼技術操作碼的位數(shù)隨地址數(shù)的減少而增加OPA1A2A3000000011110…A1A1A1…A2A2A2…A3A3A3…A2A2A2…A3A3A3…111111111111…000000011110…111111111111…111111111111…111111111111…000000011111…111111111111…111111111111…A3A3A3…000000011110…4位操作碼8位操作碼12位操作碼16位操作碼三地址指令操作碼每減少一種可多構成24種二地址指令二地址指令操作碼每減少一種可多構成24

種一地址指令

上述方法是在不增加指令長度的情況下，采用對地址少的指令使用較長的操作碼，對地址數(shù)多的指令使用較短的操作碼。其實質是增加了指令的數(shù)量，豐富了指令的功能。

在可變長操作碼的指令系統(tǒng)設計中，究竟使用何種擴展方法為好，指令的使用頻度（即在程序中出現(xiàn)的概率）是非常重要的依據。即頻度高的指令應分配短的操作碼，頻度低的指令則分配較長的操作碼。這樣，既可有效地縮短操作碼在程序中的平均長度，節(jié)省存儲空間，又可縮短常用指令的譯碼時間以提高程序的運行速度。

其缺點是譯碼系統(tǒng)比固定操作碼復雜，增加了設計控制器的難度，需要更多的硬件作支持。2.地址碼(1)四地址(2)三地址OPA1A2A3A486666A1

第一操作數(shù)地址A2

第二操作數(shù)地址A3

結果的地址A4

下一條指令地址若PC代替A4(A1)OP(A2)A38888OPA1A2A3(A1)OP(A2)A34次訪存4次訪存尋址范圍26=64尋址范圍28=256若A3用A1或A2代替7.1設指令字長為32位操作碼固定為8位(3)二地址OPA1A281212(A1)OP(A2)A1(A1)OP(A2)A2或4次訪存若ACC代替A1（或A2）若結果存于ACC(4)一地址(5)零地址OPA1824無地址碼(ACC)OP(A1)ACC2次訪存尋址范圍212=4K尋址范圍224=16M3次訪存7.13.指令字長度與機器字長度的關系

機器字長度簡稱字長，指計算機能直接處理的二進制數(shù)據的位數(shù)。字長是計算機中的一項重要技術指標，字長越長，計算機的運算精度越高；

字長還能反映指令的直接尋址能力，若字長n位全用來尋址，可直接尋址2n個字節(jié)。為了便于處理字符數(shù)據及盡可能地利用存儲空間，一般把機器字長定為字節(jié)長度（8位）的整數(shù)倍，即是8位、16位、32位或64位。微型、小型機的字長多為8位、16位和32位，中、大型機的字長多為32位和64位。因此，一個字中可以存儲1個、2個、4個或8個字符。(1)機器字長指令字的長度取決于操作碼的長度、操作數(shù)地址的長度和操作數(shù)地址的個數(shù)。由于操作碼的長度、操作數(shù)地址的長度以及所采用操作數(shù)地址數(shù)目不同，各種指令的長度不是固定的，當然也不是任意的。為了充分利用存儲空間，指令字的長度也定為字節(jié)長度的整數(shù)倍。例如INTEL8086/80586系列機的指令長度分別為8位、16位、24位、32位、48位等。而最長的指令可達120位。(2)指令字長(3)指令字長與機器字長的關系指令字長度與機器字長度沒有固定的關系，它可以等于機器字長，也可以大于或小于機器字長。指令字長度等于機器字長度的指令，稱為單字長指令；指令字長等于兩個機器字長的指令，稱為雙字長指令；指令字長度只有半個機器字長度的指令，稱為半字長指令。例如IBM370系列機的機器字長為32位，它卻有16位的半字長指令、32位的單字長指令、48位的一個半字長指令。等字長指令結構在同一個指令系統(tǒng)中，所有的指令字長度都是相等的，稱為等字長指令字結構，這種指令字結構簡單，控制方便；變字長指令結構如果各種指令字長度隨指令的功能而變化，如有的指令是單字長指令，有的指令是雙字長指令或三字長指令，則稱為變字長指令結構，這種指令字結構靈活，能充分利用指令字長度，但指令的控制較復雜。各種指令字的結構情況地址

II+1I+2I+3指令指令指令指令┆一個字長┆┆指令指令指令指令地址

II+1I+2I+3一個字長指令指令指令指令┆地址

II+1I+2I+3

指令1

指令2一個字長┆單字長指令雙字長指令半字長指令變字長指令指令3一個字長地址II+1I+2I+3I+4I+5I+6指令1指令2┆小結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可擴大指令的尋址范圍可縮短指令字長可減少訪存次數(shù)三地址OPR1,

R2,R3二地址OPR1,R2

一地址OPR1

指令執(zhí)行階段不訪存可縮短指令字長4.指令助記符

由于硬件只能識別1和0，所以采用二進制操作碼是必要的，但是我們用二進制來書寫程序卻非常麻煩。為了便于書寫和閱讀程序，每條指令通常用3個或4個英文縮寫字母來表示。這種縮寫碼叫做指令助記符。

典型指令

指令助記符

二進制操作碼

加法

ADD

001

減法

SUB

010

傳送

MOV

011

跳轉

JMP

100

轉子

JSR

101

存儲

STR

110

讀數(shù)

LDA

111典型的指令助記符例指令格式如下所示，其中OP為操作碼，試分析指令格式的特點。

OP

--------

源寄存器

目標寄存器15

9

7

43

0解：

(1)單字長二地址指令。

(2)操作碼字段OP可以指定128條指令。

(3)源寄存器和目標寄存器都是通用寄存器（可分別指定16個），所以是RR型指令，兩個操作數(shù)均在寄存器中。

(4)這種指令結構常用于算術邏輯運算類指令。例指令格式如下所示，OP為操作碼字段，試分析指令格式特點。

OP

-----------

源寄存器

變址寄存器

位移量(16位)15

10

7

43

0解：

(1)雙字長二地址指令，用于訪問存儲器。

(2)操作碼字段OP為6位，可以指定64種操作。

(3)一個操作數(shù)在源寄存器（共16個），另一個操作數(shù)在存儲器中（由變址寄存器和位移量決定），所以是RS型指令。二、操作數(shù)類型和操作種類一、操作數(shù)類型地址數(shù)字字符邏輯數(shù)無符號整數(shù)定點數(shù)、浮點數(shù)、十進制數(shù)ASCII邏輯運算二、數(shù)據在存儲器中的存放方式字地址為低字節(jié)地址字地址為高字節(jié)地址37621540字地址04低字節(jié)04512673字地址04低字節(jié)存儲器中的數(shù)據存放（存儲字長為

32

位）地址（十進制）04812162024283236雙字雙字（地址32）雙字雙字（地址24）半字（地址20）半字（地址22）半字（地址16）半字（地址18）字節(jié)（地址

8）字節(jié)（地址

9）字節(jié)（地址10）字節(jié)（地址11）字（地址4）字（地址0）字節(jié)（地址14）字節(jié)（地址15）字節(jié)（地址13）字節(jié)（地址12）邊界對準地址（十進制）048字節(jié)(地址7)字節(jié)(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)邊界未對準

▲

▲

三、操作類型1.

數(shù)據傳送源目的寄存器寄存器寄存器寄存器存儲器存儲器存儲器存儲器置“1”，清“0”2.算術邏輯操作加、減、乘、除、增1、減1、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、位求反如8086MOVESTORELOADMOVEPUSHPOP例如MOVEMOVEADDSUBMULDIVINCDECCMPNEGAAAAASAAMAADANDORNOTXORTEST3.移位操作算術移位4.轉移(1)無條件轉移JMP(2)條件轉移結果為零轉（Z=1）

JZ結果溢出轉（O=1）JO結果有進位轉（C=1）JC跳過一條指令SKP循環(huán)移位（帶進位和不帶進位）如300…305306307SKPDZD=0則跳邏輯移位完成觸發(fā)器(3)調用和返回CALLSUB1......CALLSUB2…...CALLSUB2…RETURNRETURN主程序地址200021002101子程序SUB1240025002501256025612700主存空間分配程序執(zhí)行流程子程序SUB2...INAX,nOUTDX,ALOUTn,AXOUTDX,AX(4)陷阱（Trap）與陷阱指令意外事故的中斷設置供用戶使用的陷阱指令如8086INTTYPE軟中斷提供給用戶使用的陷阱指令，完成系統(tǒng)調用5.輸入輸出一般不提供給用戶直接使用

在出現(xiàn)事故時，由CPU自動產生并執(zhí)行（隱指令）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,AL三、

尋址方式尋址方式

確定本條指令的操作數(shù)地址下一條欲執(zhí)行指令的指令地址指令尋址數(shù)據尋址尋址方式在存儲器中，操作數(shù)或指令字寫入或讀出的方式，有地址指定方式、相聯(lián)存儲方式和堆棧存取方式。幾乎所有的計算機，在內存中都采用地址指定方式當采用地址指定方式時，形成操作數(shù)或指令地址的方式，稱為尋址方式。（一）、指令尋址順序(PC)+1PC跳躍由轉移指令指出LDA1000ADD1001DEC1200JMP7LDA2000SUB2001INCSTA2500LDA1100...0123456789PC+1指令地址尋址方式指令地址指令順序尋址1順序尋址2順序尋址3跳躍尋址7順序尋址8二、數(shù)據尋址形式地址指令字中的地址有效地址操作數(shù)的真實地址約定

指令字長=存儲字長=機器字長1.立即尋址指令執(zhí)行階段不訪存

A的位數(shù)限制了立即數(shù)的范圍形式地址A操作碼尋址特征OP#A立即尋址特征立即數(shù)可正可負補碼形式地址A就是操作數(shù)2.直接尋址EA=A操作數(shù)主存尋址特征LDAAAACC執(zhí)行階段訪問一次存儲器

A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A）有效地址由形式地址直接給出3.隱含尋址操作數(shù)地址隱含在操作碼中ADDA操作數(shù)主存尋址特征AACC暫存ALU另一個操作數(shù)隱含在ACC中如8086MUL指令被乘數(shù)隱含在AX（16位）或AL（8位）中MOVS指令源操作數(shù)的地址隱含在SI中目的操作數(shù)的地址隱含在DI中指令字中少了一個地址字段，可縮短指令字長4.間接尋址EA=（A）有效地址由形式地址間接提供OPA尋址特征AEA主存EAA1EAA1主存EA10執(zhí)行指令階段2次訪存可擴大尋址范圍便于編制程序OPA尋址特征A一次間址多次間址操作數(shù)操作數(shù)多次訪存……子程序主程序…8081201202調用子程序調用子程序間接尋址編程舉例(A)=81(A)=202……@間址特征JMP@A…

……

…5.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OPRi尋址特征寄存器個數(shù)有限，可縮短指令字長操作數(shù)…………R0RiRn寄存器有效地址即為寄存器編號EA=(Ri

)6.寄存器間接尋址

有效地址在寄存器中，操作數(shù)在存儲器中，執(zhí)行階段訪存操作數(shù)主存OPRi尋址特征

便于編制循環(huán)程序地址…………R0RiRn寄存器有效地址在寄存器中7.基址尋址(1)采用專用寄存器作基址寄存器EA=(BR)+ABR為基址寄存器OPA操作數(shù)主存尋址特征ALUBR

可擴大尋址范圍

有利于多道程序

BR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BR內容不變，形式地址A可變(2)

采用通用寄存器作基址寄存器操作數(shù)主存尋址特征ALUOPR0AR0

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通用寄存器R0Rn-1R1…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R0內容不變，形式地址A可變8.變址尋址EA=(IX)+AOPA操作數(shù)主存尋址特征ALUIX可擴大尋址范圍便于處理數(shù)組問題

IX的內容由用戶給定IX為變址寄存器（專用）在程序的執(zhí)行過程中IX內容可變，形式地址A不變通用寄存器也可以作為變址寄存器例設數(shù)據塊首地址為D，求N

個數(shù)的平均值直接尋址變址尋址LDADADDD+1ADDD+2…ADDD+(N-1)DIV#NSTAANSLDA#0LDX#0INXCPX#NBNEMDIV#NSTAANS共N+2

條指令共8條指令ADDX,DMX為變址寄存器D為形式地址(X)和#N

比較(X)+1X結果不為零則轉9.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）A的位數(shù)決定操作數(shù)的尋址范圍程序浮動

廣泛用于轉移指令操作數(shù)尋址特征ALUOPA相對距離A1000PC

…主存1000AOP(1)相對尋址舉例M

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#0ADDX,DINXCPX#NBNE

MDIV#NSTAANSMM+1M+2M+3而指令BNE

與指令ADDX,D

相對位移量不變–3*

指令BNE操作數(shù)的有效地址為–3*

相對尋址特征*(2)按字節(jié)尋址的相對尋址舉例OP位移量2000H2008H8JMP*+8OP06H2000H2008H8設當前指令地址PC=2000H轉移后的目的地址為

2008H因為取出JMP

*+8

后PC=2002H二字節(jié)指令故JMP

*+8

指令的第二字節(jié)為2008H-2002H=06H7.310.堆棧尋址(1)堆棧的特點堆棧硬堆棧軟堆棧多個寄存器指定的存儲空間先進后出（一個入出口）棧頂?shù)刂酚蒘P

指出–11FFFH+12000H進棧（SP）–1SP出棧（SP）+1SP棧頂棧底2000HSP2000H……1FFFHSP1FFFH棧頂棧底進棧出棧1FFFH棧頂2000H棧頂7.3(2)堆棧尋址舉例15200HACCSPX棧頂200H棧底主存151FFHACCSP15棧頂200H棧底主存X1FFHPUSHA前PUSHA后POPA前POPA后Y1FFHACCSPX棧頂200H棧底主存151FFH15200HACCSP棧頂200H棧底主存X157.3(3)SP的修改與主存編址方法有關①按字編址進棧出棧（SP）–1SP（SP）+1SP②按字節(jié)編址存儲字長16位進棧出棧（SP）–2SP（SP）+2SP存儲字長32位進棧出棧（SP）–4SP（SP）+4SP7.3四、指令格式舉例（一）、設計指令格式時應考慮的各種因素1.指令系統(tǒng)的兼容性（向上兼容）2.其他因素操作類型數(shù)據類型指令格式包括指令個數(shù)及操作的難易程度指令字長是否固定尋址方式寄存器個數(shù)地址碼位數(shù)、地址個數(shù)、尋址方式類型操作碼位數(shù)、是否采用擴展操作碼技術，確定哪些數(shù)據類型可參與操作指令尋址、操作數(shù)尋址寄存器的多少直接影響指令的執(zhí)行時間（二）、指令格式舉例1.PDP–8指令字長固定12位

操作碼

間

頁地址碼訪存類指令0235411寄存器類指令

111輔助操作碼02311I/O類指令

110設備操作碼02311987.4采用擴展操作碼技術2.PDP–11源地址OP4661616目的地址存儲器地址1存儲器地址2OP10616目的地址存儲器地址目的地址466源地址OP106目的地址OP-CODE16OP-CODE指令字長有16位、32位、48位三種零地址(16位)一地址(16位)二地址R–R(16位)二地址R–M(32位)二地址M–M(48位)擴展操作碼技術7.43.IBM360OPR1R2RR格式844OPR1XBDRX格式844412OPR1R3BDRS格式844412OPBDISI格式88412二地址R–R基址加變址尋址二地址R–M三地址R–M基址尋址二地址M–M基址尋址基址尋址立即數(shù)–

M7.4OPB1D1LB2D2SS格式884124124.Intel8086(1)指令字長(2)地址格式1~6個字節(jié)MOVWORDPTR[0204],0138H6字節(jié)INCAX1字節(jié)一地址NOP1字節(jié)CALL段內調用3字節(jié)零地址5字節(jié)段間調用寄存器–寄存器寄存器–立即數(shù)寄存器–存儲器ADDAX，BX2字節(jié)ADDAX，[3048H]4字節(jié)ADDAX，3048H

3字節(jié)二地址CALL7.4例1：某機器字長16位，存儲器直接尋址空間為128字，變址時的位移量為-64~+63，16個通用寄存器均可作為變址寄存器。設計一套指令系統(tǒng)格式，滿足下列尋址類型的要求。 （1）直接尋址的二地址指令3條。 （2）變址尋址的一地址指令6條。 （3）寄存器尋址的二地址指令8條。 （4）直接尋址的一地址指令12條。 （5）零地址指令32條。 試問還有多少種代碼未用？若安排寄存器尋址的一地址指令，還能容納多少條？

例2：設某機配有基址寄存器和變址寄存器，采用一地址的指令系統(tǒng)，允許直接和間接尋址，且指令字長、機器字長和存儲字長均為16位。 （1）若采用單字長指令，共能完成105種操作，則指令可直接尋址的范圍是多少？一次間接尋址的尋址范圍是多少？畫出其指令格式并說明各字段的含義。 （2）若存儲器