計算機組成原理課件第4章指令系統(tǒng)

第四章指令系統(tǒng)主要內(nèi)容第一節(jié)指令格式第二節(jié)指令系統(tǒng)介紹第三節(jié)尋址方式簡述指令:就是要計算機執(zhí)行某種操作的命令。分類:(從計算機組成的層次結(jié)構(gòu))：微指令：微程序級的命令（硬件）機器指令：可完成一個基本的操作，簡稱指令。宏指令：由若干條機器指令組成的軟件指令。（軟件）第一節(jié)機器指令的格式指令格式，是指令字用二進制代碼表示的結(jié)構(gòu)形式。通常由操作碼字段和地址碼字段組成。操作碼字段表征指令的操作特性與功能。地址碼字段通常指定參與操作的操作數(shù)的地址一條指令的結(jié)構(gòu)可用如下形式來表示：一、機器指令格式操作碼地址碼數(shù)據(jù)是什么或數(shù)據(jù)在哪里做什么二、指令字長度1、機器字長與指令字長機器字長指計算機能直接處理的二進制數(shù)據(jù)的位數(shù)。指令字長指一個指令字中包含的二進制代碼的位數(shù)。2、指令字長與機器字長的關(guān)系等于機器字長度的指令，稱為單字長指令；等于半個機器字長度的指令，稱為半字長指令；等于兩個機器字長度的指令，稱為雙字長指令。機器字長指令字長二者關(guān)系168半字長指令1616單字長指令1632雙字長指令三、據(jù)地址碼不同對指令的分類三地址指令格式

操作碼地址碼1地址碼2地址碼3

含義：

(A1)

OP

(A2)→A3

二地址指令格式

操作碼地址碼1地址碼2含義：（A1）OP（A2）→A1

在二地址指令格式中，從操作數(shù)的物理位置來說，又可歸結(jié)為三種類型：（SS）型指令:存儲器－存儲器型指令，為訪問存儲器的指令格式；（RR）型指令:寄存器－寄存器型指令，為訪問寄存器的指令格式；（RS）型指令:寄存器－存儲器型指令，用于存儲器與寄存器交換信息。

一地址指令格式

操作碼地址碼

含義：（AC）OP（A）→（AC）零地址指令格式

操作碼含義：OP隱含操作數(shù)返回OP練習(xí)題【例】以下四種類型指令中，執(zhí)行時間最長的是______。

A.RR型B.RS型

C.SS型

D.程序控制指令例：設(shè)機器字長為16位，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。

解：(1)單字長二地址指令。(2)操作碼字段OP可以指定27=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。15987430OP_源寄存器目標寄存器例：設(shè)機器字長為16位，指令格式如下所示，OP為操作碼字段，試分析指令格式特點。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26=64種操(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。第二節(jié)指令系統(tǒng)介紹指令系統(tǒng)的發(fā)展對指令系統(tǒng)的性能要求指令分類復(fù)雜指令系統(tǒng)精簡指令系統(tǒng)指令的執(zhí)行方式指令系統(tǒng)的概念一臺計算機中所有機器指令的集合，稱為這臺計算機的指令系統(tǒng)。指令系統(tǒng)是表征一臺計算機性能的重要因素，它的格式與功能不僅直接影響到機器的硬件結(jié)構(gòu)，而且也直接影響到系統(tǒng)軟件，影響到機器的適用范圍。一、指令系統(tǒng)的發(fā)展50年代，只有定點加減、邏輯運算、數(shù)據(jù)傳送、轉(zhuǎn)移等十幾至幾十條指令。60年代后期，除基本指令外，還有乘除運算、浮點運算、十進制運算、字符串處理等指令，指令數(shù)目多達一二百條，尋址方式也趨多樣化。開始出現(xiàn)系列計算機。所謂系列計算機，是指基本指令系統(tǒng)相同、基本體系結(jié)構(gòu)相同的一系列計算機。70年代末期，復(fù)雜指令系統(tǒng)計算機，簡稱CISC。又提出精簡指令系統(tǒng)計算機，簡稱RISC。

二、對指令系統(tǒng)性能的要求一個完善的指令系統(tǒng)應(yīng)滿足如下四方面的要求：完備性：有效性：規(guī)整性：兼容性：三、典型指令分類

不同機器的指令系統(tǒng)是各不相同的。從指令的操作碼功能來考慮，一個較完善的指令系統(tǒng)，應(yīng)包括：數(shù)據(jù)傳送類指令算術(shù)運算類指令邏輯運算類指令程序控制類指令輸入輸出類指令字符串類指令系統(tǒng)控制類指令。舉例：以8086指令系統(tǒng)為例MOVAX,1234HMOVBX,8900HADDAX,BXXORAX,0FF0HJZL1MOVSBINAL,12HLI:CLCJMPL1四、復(fù)雜指令系統(tǒng)計算機計算機硬件結(jié)構(gòu)隨著VLSI技術(shù)的飛速發(fā)展而越來越復(fù)雜化，大多數(shù)計算機的指令系統(tǒng)多達幾百條。稱這些計算機為復(fù)雜指令系統(tǒng)計算機，簡稱CISC。

例如:pentium機也有191條指令，9種尋址方式。缺點：對CISC機進行的測試表明，最常使用的是一些最簡單最基本的指令，僅占指令總數(shù)的20%，但在程序中出現(xiàn)的頻率卻占80%。五、精簡指令系統(tǒng)計算機（RISC）（一）、RISC的由來及發(fā)展1、由來：系列機的出現(xiàn)->(復(fù)雜指令系統(tǒng)計算機)CISCCISC->硬件結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本提高。1975年，IBM公司開始研究指令系統(tǒng)的合理性問題，該公司的Johncocke提出了精簡指令系統(tǒng)的想法，并開始研制具有精簡指令系統(tǒng)的計算機。

⒉RISC的發(fā)展

從80年代末開始，RISC計算機成為計算機發(fā)展的主要趨勢。（二）、RISC的特點指令的種類少指令長度固定指令格式種類少尋址方式種類少CPU內(nèi)的所有操作，除了訪問存儲器的取數(shù)和存數(shù)（Load/Store指令）外，其余指令的操作都在寄存器之間進行；CPU中有一個較大的通用寄存器組大部分指令在一個CPU周期之內(nèi)完成采用硬布線控制器六、指令的執(zhí)行方式指令的順序執(zhí)行方式流水線方式（一）、順序執(zhí)行方式

順序執(zhí)行方式是一條指令接著一條指令的執(zhí)行方式。

特點：⑴就整個程序而言，是一條指令接著一條指令順序地串行執(zhí)行的。⑵就一條指令而言，其取指、分析、執(zhí)行三個步驟也是順序串行進行的。⑶是控制簡單，硬件容易實現(xiàn)，但執(zhí)行速度慢。（二）、流水線方式流水線方式是把指令的執(zhí)行過程分解為若干個子過程，分別由不同的硬件去執(zhí)行的方式。

例如：一條指令分解為4個子過程取指->譯碼->取操作數(shù)->執(zhí)行分別由4個不同的部件來完成。第三節(jié)尋址方式尋址：指令指定操作數(shù)的位置，即給出地址信息，在執(zhí)行時需要根據(jù)這個地址信息找到需要的操作數(shù)。這種尋找操作數(shù)的過程稱為尋址。

尋址方式：尋找操作數(shù)的方法。

具體分為指令尋址和操作數(shù)尋址指令尋址分操作數(shù)尋址

4.3.1指令尋址方式順序?qū)ぶ贩绞饺纾喉樞蚪Y(jié)構(gòu)跳躍尋址方式如：循環(huán)、分支、子程序、函數(shù)、中斷等舉例：地址機器指令匯編語言指令4.3.2操作數(shù)尋址方式有效地址：操作數(shù)的地址被稱為有效地址，用EA（EffectiveAddress）表示，存儲器尋址方式下，有效地址由下面3個分量構(gòu)成：基址寄存器內(nèi)容變址寄存器內(nèi)容位移量操作數(shù)所在位置有如下四種情況操作數(shù)在內(nèi)存中。稱為存儲器尋址。操作數(shù)在運算部件的某個寄存器中。稱為寄存器尋址。操作數(shù)就在指令中。操作數(shù)叫做立即數(shù)，稱為立即數(shù)尋址。操作數(shù)在I/O接口的某個端口中，稱為端口尋址。一、立即數(shù)尋址方式如：ADDAX,D

D就是操作數(shù)本身，在非十進制立即數(shù)末尾需要使用字母加以標識（如1234H）。這種方式適合于訪問一些固定不變的常數(shù)。特點：

操作數(shù)作為指令的一部分存放在存儲器的代碼段，指令執(zhí)行階段不訪存

D的位數(shù)限制了立即數(shù)的范圍二、寄存器尋址方式有效地址即為寄存器編號，EA=R1操作數(shù)為(D)

特點：執(zhí)行階段不訪存，只訪問寄存器，因此執(zhí)行速度快；寄存器個數(shù)有限，可縮短指令字長。例：INCR1

三、存儲器尋址方式1.直接尋址方式

有效地址由形式地址直接提供，即指令地址中直接給出操作數(shù)存放的有效地址。例：INC[3A00H]

即：EA=3A00H;操作數(shù)=（3A00H

）

特點：執(zhí)行階段訪問一次存儲器

有效地址在寄存器中，EA=(R1)操作數(shù)=（(R1)）

特點：有效地址在寄存器中，操作數(shù)在存儲器中，執(zhí)行階段訪問一次存儲器例：INC(R1)

2.寄存器間接尋址方式3.間接尋址方式指令的地址碼部分給出的不是操作數(shù)，也不是操作數(shù)的地址，而是操作數(shù)地址的地址的尋址方式。其有效地址為：EA=(A0)

4.基址/變址尋址方式以基址/變址寄存器中的內(nèi)容為基準，加上指令地址碼部分給出的位移量之和作為操作數(shù)的有效地址來獲得操作數(shù)的地址的尋址方式。其有效地址為：EA=(R)+A這類指令通常用于字符串處理、向量運算等成批數(shù)據(jù)處理中。指令中的地址碼與程序計數(shù)器PC的內(nèi)容相加，得到的結(jié)果是操作數(shù)的有效地址，即EA=(PC)+A5.相對尋址方式6、存儲器堆棧尋址方式堆棧：是在存儲器中的一片連續(xù)區(qū)域。特點：先進后出。用棧頂指針指示要讀寫的單元。操作：分為進棧和出棧

進棧指令：PUSHsrc

執(zhí)行的操作是（SP-2）→SPsrc->[SP]出棧指令：POPDEST

執(zhí)行的操作是[SP]->DEST（SP-2）→SP四、端口尋址方式參與運算的數(shù)據(jù)在輸入/輸出接口的某個端口中。通常用專用的輸入/輸出指令來完成數(shù)據(jù)的讀寫例如：INAL,35H

MOVDX,38FHOUTDX,AL返回練習(xí)題變址尋址方式中，操作數(shù)的有效地址等于______。

A基值寄存器內(nèi)容加上形式地址（位移量）

B堆棧指示器內(nèi)容加上形式地址（位移量）

C變址寄存器內(nèi)容加上形式地址（位移量）

D程序記數(shù)器內(nèi)容加上形式地址（位移量）

用某個寄存器中值作為操作數(shù)的尋址方式稱為______尋址。

A直接B間接

C寄存器

D寄存器間接

計算機指令系統(tǒng)中采用不同尋址方式主要目的是_____

A、可直接訪問內(nèi)存或外存。B、提供擴展操作碼并降低指令譯碼難度C、簡化匯編指令的編碼D、縮短指令長度，擴大尋址空間，提高編程靈活性在下列尋址方式中取得操作數(shù)速度最慢的是_____

。

A、相對尋址B、基址尋址

C、寄存器間接尋址

D、存儲器間接尋址

某機器指令格式如下所示15109870OPXD圖中X為尋址特征位:X=00直接尋址

X=01用寄存器X1進行變址

X=10用寄存器X2進行變址

X=11相對尋址設(shè)(PC)=1234H,(X1)=0037H,(X2)=1122H,請確定下列指令的有效地址：①4402H②2244H③1322H④3521H⑤6723H設(shè)(DS)=1200H,(BX)=05A6H,(SS)=5000H,(BP)=40A0H,(SI)=2000H,(DI)=3000H,

位移量DISP=1618H,請判斷下列指令中操作數(shù)的尋址方式，并求出其有效地址EA。

1)MOV[1618H],AL2)MOVAL,[BX+10H]3)MOVAX,[SI]4)MOV[BX+DI],10H

堆棧尋址方式中，設(shè)A為累加器，SP為堆棧指示器，MSP為SP指示的棧頂單元。如果進棧操作的動作順序是(SP)-2→SP；（A）→MSP，那么出棧操作的動作順序應(yīng)為______

A、(MSP)→A，(SP)+2→SPB、(SP)+2→SP，(MSP)→AC、(SP-2)→SP，(MSP)→AD、(MSP)→A，（SP）-2→SP在8086中SP=2000H，AX＝3000H，BX＝5000H試問：

(1)執(zhí)行指令PUSHAX后，SP＝?

(2)再執(zhí)行指令PUSHBX及POPAX后，SP＝?，BX＝?請畫出堆棧變化示意圖。解：⑴SP＝2000H－2＝1FFEH⑵執(zhí)行PUSHBX和POPAX后，

SP＝1FFEH－2＋2＝IFFEH，BX＝5000H棧起始…Sp->200H棧起始…Sp->1FFEH3000H棧起始…Sp->1FFCH5000H3000H棧起始…5000HSp->1FFEH3000H初始狀態(tài)PUSHAX后PUSHBX后POPCX后例：設(shè)某計算機，指令長度為16位，指令格式如下：OP為操作碼，R為寄存器編號

M為尋址方式，與D一起決定源操作數(shù)，規(guī)定如下：M=00立即尋址D是立即數(shù)M=01相對尋址D是位移量M=10變址尋址D是位移量設(shè)要執(zhí)行的加法指令，存放在001000單元中，D=01,該指令執(zhí)行前存儲器和有關(guān)寄存器的存儲情況如下所示(地址碼和數(shù)據(jù)均以八進制表示)1511108765