計算機組成與結(jié)構(gòu)課件 第3章 尋址方式與指令系統(tǒng)

第3章尋址方式與指令系統(tǒng)第3章尋址方式與指令系統(tǒng)主要內(nèi)容：3.1指令格式與指令系統(tǒng)設(shè)計3.2尋址方式3.3指令類型3.4CISC與RISC3.1指令格式與指令系統(tǒng)設(shè)計

3.1.1指令格式3.1.2指令字長

3.1.3指令的地址碼

3.1.4指令的操作碼3.1.5指令系統(tǒng)設(shè)計3.1.1機器指令格式指令：是指計算機執(zhí)行某種操作的命令。指令系統(tǒng)：一臺計算機所能執(zhí)行的各種指令的總和。指令基本格式如下圖：操作碼說明操作的性質(zhì)及功能地址碼描述指令的操作對象，由地址碼可以給出操作數(shù)或操作數(shù)的地址，及操作結(jié)果的存放地址OPAddr操作碼字段θ地址碼字段D3.1.1機器指令格式1.操作碼：指示操作的類型，即要求計算機執(zhí)行的操作，如加、減、乘、除等。2.操作數(shù)或操作數(shù)地址：指令中應(yīng)給出參與運算的數(shù)據(jù)或指出這些數(shù)據(jù)的存放位置3.存放運算結(jié)果的地址：運算完成后所得結(jié)果的存放位置。4.后繼指令地址：在一個由指令序列構(gòu)成的程序中，執(zhí)行完一條指令后，需要指出下一條要執(zhí)行指令的存放位置。在一條指令中應(yīng)包含一個操作碼和一個或多個地址碼。操作碼θ操作數(shù)1地址操作數(shù)2地址運算結(jié)果地址后繼指令地址3.1.2指令字長指令字長是指一個指令所包含的二進制代碼的位數(shù)。指令長度=操作碼的長度+地址碼的長度

1.變字長指令優(yōu)點：指令字長因功能而異，結(jié)構(gòu)靈活，合理利用存儲空間，廣泛被復(fù)雜指令系統(tǒng)CISC采用缺點：控制復(fù)雜2.定字長指令特點：所有指令字長度均相同，且不變。優(yōu)點：指令執(zhí)行速度快，結(jié)構(gòu)簡單，便于控制，廣泛被精簡指令系統(tǒng)RISC使用思考:CPU怎么知道這條指令有多少字節(jié)?3.1.3指令的地址碼指令中的地址：共4個兩個操作數(shù)的地址、運行結(jié)果的地址、后繼指令地址指令提供地址的方式：顯地址方式：指令中明顯指明地址。隱地址方式：地址隱含約定,不出現(xiàn)在指令中。直接或間接給出思考:1.操作數(shù)隱含約定在哪?2.為什么要隱含約定?

使用隱地址可以減少指令中的地址數(shù)，簡化地址結(jié)構(gòu)。

寄存器、堆棧。3.1.3指令的地址碼1.三地址指令格式指令功能：(A1)OP(A2)→A3 (PC)+

1→PC【例】“加”操作(X)+(Y)→Z，使用三地址指令時，可使用下面指令：ADDX，Y，Z；OPA1操作碼操作數(shù)1地址A2A3操作數(shù)2地址結(jié)果存放地址隱含后繼指令地址3.1.3指令的地址碼2.二地址指令格式指令功能：(A1)OP(A2)→A1 (PC)+1→PC 【例】“加”操作(X)+(Y)→Z，使用二地址指令時，可使用下面指令：ADDX，Y；MOVZ，X；OPA1操作碼目的操作數(shù)地址A2源操作數(shù)地址隱含后繼指令地址和運算結(jié)果地址3.1.3指令的地址碼3.一地址指令格式(1)只有目的操作數(shù)的單操作數(shù)指令指令功能：OP(A)→A (PC)+1→PC(2)隱含約定目的地址的雙操作數(shù)指令指令功能：(A)OP(AC)→AC (PC)+1→PCOPA操作碼地址碼隱含后繼指令地址和、源操作數(shù)地址和運算結(jié)果地址3.1.3指令的地址碼4.零地址指令格式(1)不需要操作數(shù)的指令 例如：停機指令和空操作指令。(2)單操作數(shù)指令 隱含約定操作數(shù)在累加器AC中。指令功能：OP(AC)→AC(3)雙操作數(shù)指令 操作數(shù)事先存放在堆棧中，由堆棧指針SP隱含指出。

例如：push表示(AC)→SP，而pop表示(SP)→ACOP操作碼

3.1.4指令的操作碼1.定長操作碼，變長指令碼操作碼的長度及位置固定，放在指令字的第一個字段中，其余字段均為地址碼常用于指令字較長，或是采用可變長指令格式的情況2.變長操作碼、定長指令碼操作碼長度不定（可擴展），但指令字長固定3.單功能型或復(fù)合型操作碼前者只表示一種操作，優(yōu)點是能快速識別并執(zhí)行。后者可表示多種操作例3-1設(shè)某機器指令長度為16位，包括1個操作碼字段和3個地址碼字段，每個字段長度均為4位?，F(xiàn)在要求擴展為15條三地址指令、15條二地址指令、15條一地址指令及16條零地址指令。試給出擴展操作碼的方案。該指令格式如下：OPA1操作碼字段地址碼字段A2A3地址碼字段地址碼字展方案的示意圖OPA1A2A3151211874300000……1110A2……A2A1……A1A1A3……A31111……11110000……11101111……1111A1A3……A31111……1111A2……A20000……1110A1A3……A31111……11111111……11111111……1111A10000……111115條三地址指令15條二地址指令15條一地址指令16條零地址指令3.1.5指令系統(tǒng)的設(shè)計

1.指令系統(tǒng)的設(shè)計原則(1)完備性：功能完善(2)正交性：不同含義的字段在編時互相獨立，互不相干(3)有效性：占空間少，執(zhí)行速度快 (4)規(guī)整性：格式一致、整齊，便于存取和處理(5)兼容性(6)可擴展性

2.指令系統(tǒng)的設(shè)計步驟(1)根據(jù)應(yīng)用，初擬出指令的分類和具體的指令；(2)試編出用該指令系統(tǒng)設(shè)計的各種高級語言的編譯程序；(3)各種算法編寫大量測試程序進行模擬測試，看指令系統(tǒng)的操作碼和尋址方式效能是否比較高。(4)將程序中高頻出現(xiàn)的指令串復(fù)合改成一條強功能新指令，即改用硬件方式實現(xiàn)；而將頻度很低的指令的操作改成用基本的指令組成的指令串來完成，即用軟件方式實現(xiàn)。3.2.1指令的尋址方式所謂尋址方式就是尋找指令或操作數(shù)的有效地址的方法或途徑。從硬件角度，它決定了硬件結(jié)構(gòu)的設(shè)計；從軟件角度，它決定了編譯系統(tǒng)和匯編程序的設(shè)計方法。1.順序?qū)ぶ贩绞街噶顚ぶ贰页鱿乱粭l將要執(zhí)行的指令在存儲器中的地址。

存儲器指令n……指令n+1指令n+2……指令n+m……指令寄存器PC+1nn+12.跳躍尋址方式 該方式可以實現(xiàn)程序轉(zhuǎn)移或構(gòu)成循環(huán)程序，從而能縮短程序長度，或?qū)⒛承┏绦蜃鳛楣渤绦蛞?。存儲器指令n……轉(zhuǎn)移地址（m）指令n+1……指令m指令寄存器PC+1nm3.2.2操作數(shù)的尋址方式1.立即尋址2.存儲器直接尋址3.寄存器直接尋址

4.存儲器間接尋址5.寄存器間接尋址6.變址尋址7.基址尋址8.相對尋址9.頁面尋址10.堆棧尋址操作數(shù)尋址方式概述操作數(shù)可能存放的位置(1)直接包含在指令中，指令中給出操作數(shù)的值(2)在CPU的某個寄存器中,指令中給出寄存器號(3)在某主存單元中,指令中給出主存單元地址碼(4)在堆棧中,由棧頂指針SP提供地址（隱）(5)在某個I/O接口的寄存器中幾個概念形式地址：表示指令中的地址碼不能直接用來訪問主存。有效地址：對形式地址進行一定計算后得到的存放操作數(shù)的內(nèi)存實際地址。1.立即尋址OP立即數(shù)……M操作碼θ立即數(shù)S在指令中直接給出操作數(shù)。定長格式：變長格式：基本指令

立即數(shù)S主要用來提供常數(shù)、設(shè)置初值等。操作數(shù)在指令中，其長度固定、有限。操作數(shù)在基本指令之后，其長度可變。2.存儲器直接尋址（直接尋址）OPEA……M操作數(shù)主存…………EA在指令中直接給出操作數(shù)的主存地址。操作數(shù)地址操作數(shù)M優(yōu)點：較為簡單，無需作尋址計算。操作碼θ主存地址A

格式操作數(shù)S=(EA)例3-2設(shè)指令中的地址碼EA為2001H，主存部份地址及相應(yīng)存儲內(nèi)容關(guān)系如下表所示：地址存儲內(nèi)容2000H3BA0H2001H1200H2002H2A01H請問，如果按直接尋址，則所讀取的操作是什么？1200H3.寄存器直接尋址（寄存器尋址）OPRx……尋址方式字段操作數(shù)Rx優(yōu)點：可以有效縮短指令長度；指令的運行速度快；由指令給出操作數(shù)的寄存器號。操作碼θ寄存器號R格式寄存器號操作數(shù)R操作數(shù)S=(R)例3-3設(shè)指令中所給的寄存器號為001，CPU各寄存器的內(nèi)容如下表所示：寄存器號存儲內(nèi)容R02101HR12A01HR23BA0HR31200H請問，如果按寄存器尋址，則所讀取的操作是什么？2A01H4.存儲器間接尋址（間接尋址）在指令中給出操作數(shù)內(nèi)存地址的內(nèi)存地址。

OPA……MEA主存…………A操作數(shù)……EA優(yōu)點：較為靈活，便于編程；可用較短的地址碼來訪問較大的存儲空間。缺點：指令執(zhí)行的速度較慢格式操作碼θ間接地址AEA=(A),操作數(shù)S=((A))間址單元地址操作數(shù)地址MM操作數(shù)例3-4設(shè)指令中的地址碼EA為2001H，主存部份地址及相應(yīng)存儲內(nèi)容關(guān)系如下表所示：地址存儲內(nèi)容2000H3BA0H2001H2003H2002H2A01H2003H1200H請問，如果按間接尋址，則所讀取的操作是什么？1200H5.寄存器間接尋址OPRx……M主存…………Rx操作數(shù)……EAEA在指令中給出操作數(shù)內(nèi)存地址的寄存器號。

格式操作碼θ間接地址RxEA=(R),操作數(shù)S=((R))寄存器號操作數(shù)地址RM操作數(shù)例3-5寄存器號寄存內(nèi)容主存地址存儲內(nèi)容R02101H2000H3BA0HR12002H2001H2002HR23BA0H2002H2A01HR31200H2003H1200H請問，如果按寄存器間接尋址，則所讀取的操作是什么？2A01H設(shè)指令中所給的寄存器號為001，CPU各寄存器及相關(guān)主存單元的內(nèi)容如下表所示：寄存器號操作數(shù)地址RM操作數(shù)R內(nèi)容加1(1)自增型寄存器間址(2)自減型寄存器間址操作數(shù)S=-(R)寄存器號R內(nèi)容先減1,減后的結(jié)果為操作數(shù)地址RM操作數(shù)操作數(shù)S=(R)+兩種特殊的寄存器間接尋址6.變址尋址OPD……M主存…………Rx操作數(shù)……EA變址值Rx+EA=(Rx)+D格式操作碼θRXD變址量(可變)形式地址(不變)指令給出寄存器號和形式地址，寄存器內(nèi)容（變址量）與形式地址之和為有效地址。面向用戶，用于字符串、數(shù)組等操作，D為首地址。例3-6設(shè)指令中所給的寄存器號為001，形式地址為2000H，各寄存器及相關(guān)主存單元的存儲內(nèi)容所下表所示：寄存器號寄存內(nèi)容主存地址存儲內(nèi)容R02101H2000H3BA0HR10002H2001H2002HR23BA0H2002H2A01HR31200H2003H1200H請問，如果按變址尋址，則所讀出的操作數(shù)是什么？2A01H7.基址尋址OPD……M主存…………Rb操作數(shù)……EA基址值Rb+格式基址寄存器號指令給出一個寄存器號和一個形式地址（也稱位移量），寄存器內(nèi)容與位移量之和為有效地址。操作碼θRb

D位移量EA=(Rb)+D基準(zhǔn)地址(可變)位移量(不變)面向系統(tǒng)，解決程序在主存中的重定位問題。實例演示設(shè)指令中所給的寄存器號為001，形式地址為0010H，各寄存器及相關(guān)主存單元的存儲內(nèi)容所下表所示：寄存器號寄存內(nèi)容主存地址存儲內(nèi)容R02101H2000H3BA0HR12000H…………R23BA0H2010H2A01HR31200H…………請問，如果按基址尋址，則所讀出的操作數(shù)是什么？2A01H8.相對尋址(基址尋址的特例)OPD……M主存現(xiàn)行指令……PC操作數(shù)……EA現(xiàn)行指令地址A+……A格式指令給出位移量，程序計數(shù)器PC內(nèi)容與位移量之和為有效地址。位移量操作碼θPC

D或隱含指定EA=(PC)＋DD的取值可為正負(fù)，因此有效地址就相對當(dāng)前指令位置上下浮動,給編程帶來方便。9.頁面尋址格式指令給出位移量D，PC的高位部分與D拼接，形成有效地址。位移量操作碼θPC

D或隱含指定操作數(shù)S=((PC)H，D)例.M為64KB，劃分為256頁，每頁256B。頁號頁內(nèi)地址PC0165H7C.........017CHS頁面尋址指令位移量例3-7假設(shè)主存空間分頁存儲，PC高字節(jié)代表頁號，某指令的形式地址為10H，各寄存器及相關(guān)主存單元的存儲內(nèi)容所下表所示：寄存器號寄存內(nèi)容主存地址存儲內(nèi)容PC2004H2000H3BA0HR12000H…………R23BA0H2010H2A01HR31200H…………請問，如果按頁面尋址，則所讀出的操作數(shù)是什么？2A01H10.堆棧尋址入棧：SP=SP-1出棧：SP=SP+13.3指令類型3.3.1數(shù)據(jù)傳送類指令3.3.2輸入/輸出指令3.3.3算術(shù)運算指令3.3.4邏輯運算指令3.3.5移位操作指令(略)3.3.6程序控制指令3.3.7串操作類指令(略)3.3.8其他指令（略）設(shè)計時的考慮因素：（1）規(guī)定傳送范圍例.DJS-100系列：80X86：IBM370：RMRM，RRRM，RR，MM解釋:傳送就是復(fù)制.主存中數(shù)據(jù)復(fù)制,還可以被多次使用.堆棧指針下移,視為數(shù)據(jù)不再存在.數(shù)據(jù)傳送類指令MOV、XCHG、PUSH/POP

（2）指明傳送單位MOVB

8MOVAX，BX

MOVW

16MOVL

32MOVAL，BL

MOVEAX，EBX

81632（3）設(shè)置尋址方式VAX-11機：X086機：思考:CPU怎么知道一條指令的尋址方式?各種信息主機外設(shè)信息:數(shù)據(jù)命令狀態(tài)輸入輸出指令＝主機對外設(shè)的訪問＝對外設(shè)接口寄存器的訪問輸入/輸出指令設(shè)計時的考慮因素：I/O指令的功能擴展主機對外設(shè)的尋址方式I/O指令設(shè)置方式統(tǒng)一編址,使用傳送指令獨立端口,使用專用指令I(lǐng)N或OUT例如假設(shè)采用通用的傳送指令實現(xiàn)I/O操作，I/O接口包含3個寄存器且通過數(shù)據(jù)總線與CPU相連接。各寄存器的地址和內(nèi)容分別如下表所示：寄存器寄存地址存儲內(nèi)容數(shù)據(jù)寄存器FF00HA0H命令字寄存器FF01H01H狀態(tài)字寄存器FF02H0FH試指出以下指令可能的含義或執(zhí)行結(jié)果：MOVFF01H,R0MOVR1,FF02HMOVR2,FF00HMOVFF00H,R3

設(shè)置時需考慮操作數(shù)類型、符號、進制等；算術(shù)邏輯運算指令

加ADD,減SUB,加1INC,減1DEC,求補NEG,比較CMP,乘MUL,除DIV等

運算結(jié)束后設(shè)置相應(yīng)狀態(tài)標(biāo)志。邏輯運算指令利用邏輯“與”實現(xiàn)位測試：例如，若要測試AL3，則可設(shè)置屏蔽字為“08H”。執(zhí)行TESTAL，08H利用邏輯“與”實現(xiàn)位分離：例如，若要分離出AL3~0，則可設(shè)置屏蔽字為“0FH”。執(zhí)行ANDAL，0FH利用邏輯“與”實現(xiàn)位清除：例如，若要清除AL3，則可設(shè)置屏蔽字為“F7H”。執(zhí)行ANDAL，F(xiàn)7H利用邏輯“或”實現(xiàn)位設(shè)置：例如，若要設(shè)置AL4=1，則可設(shè)置屏蔽字為“10H”執(zhí)行ORAL，10H利用邏輯“異或”實現(xiàn)位修改：例如，若要得AL的反碼，則可設(shè)置屏幕字為“7FH”執(zhí)行XORAL，7FH包含：邏輯與、邏輯或、邏輯非、邏輯異或應(yīng)用：可實現(xiàn)位測試、位清除、位設(shè)置、位修改等操作例如：設(shè)目的操作數(shù)AL=“11101011”(1)轉(zhuǎn)移指令程序控制指令(2)轉(zhuǎn)子指令與返回指令轉(zhuǎn)子：操作碼子程序入口無條件轉(zhuǎn)移條件轉(zhuǎn)移循環(huán)：操作碼轉(zhuǎn)移地址：操作碼轉(zhuǎn)移地址轉(zhuǎn)移條件：轉(zhuǎn)移條件為循環(huán)計數(shù)值返回：操作碼返回地址同一條返回指令應(yīng)能提供多個不同的返回地址。返回地址的存?。河枚褩４娣欧祷氐刂?。(3)軟中斷指令程序自陷指令表示不同的功能調(diào)用…調(diào)試程序………早期,主要用于程序的調(diào)試?，F(xiàn)在,常用于系統(tǒng)功能調(diào)用。以INTn

的形式出現(xiàn)在程序中。(4)轉(zhuǎn)移條件：根據(jù)程序狀態(tài)字的標(biāo)志位決定轉(zhuǎn)移。進位位C—若有進位，則C=1(JC)，否則C=0(JNC)；正負(fù)位N—若結(jié)果為負(fù)數(shù)，則N=1(JS)，否則N=0(JNS)；溢出位V—若有溢出發(fā)生，則V=1(JO)，否則V=0(JNO)；奇偶位P—代碼中有奇數(shù)個“1”時，P=1(JP),否則P=0(JNP)；零標(biāo)志Z—若結(jié)果為“0”，則Z=1(JZ)，否則Z=0(JNZ)。3.4CISC和RISC3.5.1按CISC方向發(fā)展與改進指令系統(tǒng)CISC（即ComplexInstructionSetComputer，復(fù)雜指令系統(tǒng)計算機）3.5.2按RISC方向發(fā)展與改進指令系統(tǒng)RISC（即ReducedInstructionSetComputing，精簡指令系統(tǒng)計算機）3.5.3Intel80x86指令集的發(fā)展（自學(xué)）3.4.1按CISC方向發(fā)展與改進指令系統(tǒng)基本思路：增加新指令，減少目標(biāo)程序占用的存儲空間，減少程序執(zhí)行中的訪存次數(shù)，縮短指令的執(zhí)行時間，以提高程序的運行速度。具體方案：1.面向目標(biāo)程序優(yōu)化實現(xiàn)改進2.面向高級語言優(yōu)化實現(xiàn)改進3.面向操作系統(tǒng)實現(xiàn)改進面向目標(biāo)程序優(yōu)化實現(xiàn)改進CISC方法1：通過對大量已有機器語言程序及其執(zhí)行情況進行統(tǒng)計各種指令和指令串的使用頻度來加以分析和改進。例如：取消低頻指令，用新指令替代高頻指令串等。方