計(jì)算機(jī)組成原理 課件 6 指令系統(tǒng)

6.1.1機(jī)器指令的基本格式

在一個(gè)指令系統(tǒng)中，若所有指令的長(zhǎng)度都是相等的，成為定長(zhǎng)指令字結(jié)構(gòu)。定長(zhǎng)結(jié)構(gòu)指令系統(tǒng)控制簡(jiǎn)單，但不夠靈活。若各種指令的長(zhǎng)度隨指令功能而異，就稱之為變長(zhǎng)指令字結(jié)構(gòu)。現(xiàn)代計(jì)算機(jī)廣泛采用變長(zhǎng)指令字結(jié)構(gòu)，指令的長(zhǎng)度能短則短，需長(zhǎng)則長(zhǎng)，如80x86的指令長(zhǎng)度從一個(gè)字節(jié)到十幾個(gè)字節(jié)不等。變長(zhǎng)結(jié)構(gòu)指令系統(tǒng)靈活，能充分利用指令長(zhǎng)度，但指令的控制較復(fù)雜。第六章指令系統(tǒng)6.1.2地址碼結(jié)構(gòu)

計(jì)算機(jī)執(zhí)行一條指所需的全部信息都必須包含在指令中。對(duì)于一般的雙操作數(shù)運(yùn)算類指令來說，除去操作碼（OperationCode）之外，指令還應(yīng)包含以下信息：第一操作數(shù)地址，用A1表示。第二操作數(shù)地址，用A2表示。操作結(jié)果存放地址，用A3表示。下條將要執(zhí)行指令的地址，用A4表示第六章指令系統(tǒng)1.四地址指令

前述的4個(gè)地址信息都在地址字段中明顯地給出，其指令的格式為：

指令的含義：(A1)OP(A2)→A3A4＝下條將要執(zhí)行指令的地址

其中：OP表示具體的操作，Ai表示地址，(Ai)表示存放于該地址中的內(nèi)容。

這種格式的主要優(yōu)點(diǎn)是直觀，下條指令的地址明顯。但是最嚴(yán)重的缺點(diǎn)是指令的長(zhǎng)度太長(zhǎng)，如果每個(gè)地址為16位，整個(gè)地址碼字段就要長(zhǎng)達(dá)64位，所以這種格式是不切實(shí)際的。第六章指令系統(tǒng)

2．三地址指令

正常情況下，大多數(shù)指令按順序依次被從主存中取出來執(zhí)行，只有在遇到轉(zhuǎn)移指令時(shí)，程序的執(zhí)行順序才會(huì)改變。因此，可以用一個(gè)程序計(jì)數(shù)器(ProgramCounter，PC)來存放指令地址。通常每執(zhí)行一條指令，PC就自動(dòng)加1（設(shè)每條指令只占一個(gè)主存單元），直接得到將要執(zhí)行的下一條指令的地址。這樣，指令中就不必再明顯地給出下一條指令的地址了。三地址指令格式為：

指令的含義：(A1)OP(A2)→A3

(PC)﹢1→PC(隱含)第六章指令系統(tǒng)3．二地址指令

三地址指令執(zhí)行完后，主存中的兩個(gè)操作數(shù)均不會(huì)被破壞。然而，通常并不一定需要完整的保留兩個(gè)操作數(shù)。比如，可讓第一操作數(shù)地址同時(shí)兼作存放結(jié)果的地址（目的地址），這樣即得到了二地址指令，其格式為：

指令的含義：(A1)OP(A2)→A1(PC)﹢1→PC(隱含)第六章指令系統(tǒng)4．一地址指令

一地址指令顧名思義只有一個(gè)顯地址，它的指令格式為

一地址指令只有一個(gè)地址，那么另一個(gè)操作數(shù)來自何方呢？指令中雖未明顯給出，但按事先約定，這個(gè)隱含的操作數(shù)就放在一個(gè)專門的寄存器中。因?yàn)檫@個(gè)寄存器在連續(xù)性運(yùn)算時(shí)，保存著多條指令連續(xù)操作的累計(jì)結(jié)果，故稱為累加寄存器（Accumulator,Acc）。

指令的含義：(Acc)OP(A1)→Acc(PC)+1→PC(隱含)第六章指令系統(tǒng)6.1.3指令的操作碼

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。通常，希望用盡可能短的操作碼字段來表達(dá)全部的指令。指令操作碼的編程可以分為規(guī)整型和非規(guī)整型兩類。規(guī)整型第六章指令系統(tǒng)6.1.3指令的操作碼

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。通常，希望用盡可能短的操作碼字段來表達(dá)全部的指令。指令操作碼的編程可以分為規(guī)整型和非規(guī)整型兩類。非規(guī)整型第六章指令系統(tǒng)6.1.4指令格式的優(yōu)化

由于指令由操作碼字段和地址碼字段兩部分組成，當(dāng)對(duì)其優(yōu)化時(shí)，主要包含兩方面內(nèi)容，一方面盡量利用寄存器資源，減少指令中包含的操作數(shù)地址，完成對(duì)地址碼字段的優(yōu)化；另一方面，盡量設(shè)計(jì)出短而規(guī)整的操作碼，完成操作碼字段的優(yōu)化。本節(jié)重點(diǎn)介紹關(guān)于操作碼字段的優(yōu)化。第六章指令系統(tǒng)6.2.1編址方式

在計(jì)算機(jī)中，編址方式是指對(duì)各種存儲(chǔ)設(shè)備進(jìn)行編碼的方式。1．編址2．編址單位3．指令中地址碼的位數(shù)第六章指令系統(tǒng)6.2.2指令尋址和數(shù)據(jù)尋址

尋址可以分為指令尋址和數(shù)據(jù)尋址。

跳躍尋址的轉(zhuǎn)移地址形式方式有3種：直接（絕對(duì)）、相對(duì)和間接尋址第六章指令系統(tǒng)6.2.3基本的數(shù)據(jù)尋址方式

數(shù)據(jù)尋址方式是根據(jù)指令中給出的地址碼字段尋找真實(shí)操作數(shù)地址的方式。一般情況下，由于指令長(zhǎng)度的限制，指令中的地址碼不會(huì)很長(zhǎng)，而主存的容量卻可能越來越大。第六章指令系統(tǒng)6.2.4變型或組合尋址方式1．自增型寄存器間址和自減型寄存器間址(1)自增尋址(2)自減尋址第六章指令系統(tǒng)2．?dāng)U展變址方式

把變址和間址兩種尋址方式結(jié)合起來，就成為擴(kuò)展變址方式，按尋址方式操作的先后順序，有前變址和后變址兩種形式。(l)先變址后間址（前變址方式）

先進(jìn)行變址運(yùn)算，其運(yùn)算結(jié)果作為間接地址，間接地址指出的單元的內(nèi)容才是有效地址。所以，有效地址EA=((Rx)+A)，操作數(shù)S=(((Rx)+A))。尋址過程如圖3-13(a)所示。(2)先間址后變址（后變址方式）

將指令中的地址碼先進(jìn)行一次間接尋址，然后再與變址值進(jìn)行運(yùn)算，從而得到一個(gè)有效地址。所以，有效地址EA=(Rx)+(A)，操作數(shù)S=((Rx)+(A))。尋址過程如圖3-13(b)所示。第六章指令系統(tǒng)3．基址變址尋址

基址變址尋址是最靈活的一種尋址方式，此時(shí)有效地址是由基址寄存器中的值、變址寄存器中的值和位移量三者相加求得的。在這3項(xiàng)中，除位移量在指令一旦確定后就不能再修改以外，基址和變址寄存器中的內(nèi)容都可以改變。EA=(Rb)+(Rx)+D第六章指令系統(tǒng)6.3.1數(shù)據(jù)傳送類指令1．一般傳送指令2．堆棧操作指令3．?dāng)?shù)據(jù)交換指令第六章指令系統(tǒng)6.3.2運(yùn)算類指令

1．算術(shù)運(yùn)算類指令

2．邏輯運(yùn)算類指令

3.移位類指令

第六章指令系統(tǒng)6.3.3程序控制類指令

1．轉(zhuǎn)移指令

2．子程序調(diào)用指令

3．返回指令

第六章指令系統(tǒng)6.3.4輸入輸出類指令

1．獨(dú)立編址的I/O

獨(dú)立編址方式使用專門的輸入輸出指令(IN/OUT)。

2．統(tǒng)一編址的I/O

所謂統(tǒng)一編址就是把外設(shè)寄存器和主存單元統(tǒng)一編址。在這種方式下，不需要專門的I/O指令，就用一般的數(shù)據(jù)傳送類指令來實(shí)現(xiàn)I/O操作。第六章指令系統(tǒng)6.3.580x86指令系統(tǒng)舉例

1．MOV指令2．PUSH/POP指令3．加、減和比較指令4．乘法、除法指令5．BCD運(yùn)算和ASCII運(yùn)算6．基本邏輯指令7．位測(cè)試指令8．移位與循環(huán)指令9．轉(zhuǎn)移控制指令10．子程序調(diào)用和返回指令第六章指令系統(tǒng)6.4.1x86架構(gòu)的擴(kuò)展指令集1．MMX指令集2．SSE指令集3.3DNow指令集4．SSE2指令集5．SSE3指令集

第六章指令系統(tǒng)6.4.2從復(fù)雜指令系統(tǒng)到精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)