指令系统的分类
指令系统的组成
指令系统的组成一、指令系统的概述指令系统是计算机硬件与软件之间的桥梁，用于指导计算机执行任务。
它由一系列指令组成，这些指令是计算机能够理解和执行的基本操作。
指令系统是计算机体系结构的重要组成部分，直接影响计算机的性能和功能。
二、指令的分类指令可以根据其功能和操作类型进行分类。
1. 数据传输指令数据传输指令用于将数据从一个地方传送到另一个地方。
它们可以从内存读取数据到寄存器，也可以将数据从寄存器写入内存。
数据传输指令是计算机中最基本和最常用的指令之一。
2. 算术运算指令算术运算指令用于执行各种数学运算，如加法、减法、乘法和除法。
这些指令可以对寄存器或内存中的数据进行运算，并将结果存储在指定的位置。
3. 逻辑运算指令逻辑运算指令用于执行逻辑运算，如与、或、非和异或。
它们通常用于比较和判断操作，根据运算结果来决定程序的流程。
控制指令用于控制程序的执行流程，如跳转、分支和循环。
它们可以改变程序的执行顺序，使程序能够根据条件进行不同的操作。
5. 输入输出指令输入输出指令用于与外部设备进行数据交换，如键盘、鼠标、显示器和打印机。
它们负责将数据从外部设备读取到内存或将数据从内存输出到外部设备。
三、指令的格式指令通常由操作码和操作数组成。
1. 操作码操作码是指令的基本操作类型，用于指示计算机执行何种操作。
操作码的种类与计算机的指令集有关，不同的计算机体系结构可能有不同的操作码。
2. 操作数操作数是指令所操作的数据。
它可以是一个立即数，也可以是一个寄存器或内存地址。
指令根据操作数的类型和个数来确定操作的对象和结果。
四、指令的执行过程指令的执行过程通常包括指令获取、指令解码和指令执行三个阶段。
指令获取是指从内存中获取指令的过程。
计算机通过程序计数器(PC)来确定下一条要执行的指令的地址，并将该地址发送给内存控制器，从而获取指令的二进制表示。
2. 指令解码指令解码是指将获取的指令解析成可执行的操作。
计算机根据指令的操作码来确定具体的操作类型，并根据操作数的类型和个数来确定操作的对象和结果。
第4章 指令系统
3. 规整性
规整性包括指令系统的对称性,匀齐性,指令 格式和数据格式的一致性.对称性是指:在指 令系统中所有的寄存器和存储器单元都可同等 对待,所有的指令都可使用各种寻址方式.匀 齐性是指:一种操作性质的指令可以支持各种 数据类型.
4.兼容性 兼容性
系列机各机种之间具有相同的基本结构和共 同的基本指令集,因而指令系统是兼容的,即 各机种上基本软件可以通用.但由于不同机种 推出的时间不同,只能做到"向上兼容" .
目前在指令操作码设计上主要采用以下两 种编码方式 1. 固定长度操作码 操作码的长度是固定的,且集中放在 指令字的一个字段中,指令的其余部分全 部用于地址码.例如IBM370机和VAX-11系 列机,操作码的长度均为8位,可表示256 种不同的操作. 2. 可变长度操作码
4.2.2 地址码
地址码用于指定操作数和存放运算结果的地址, 通常称为操作数.操作数可以是一个直接的数或者 是一个数据所在的地址,它以空格与操作码分开.
例如: MOV AX,[SI]
假如用户用高级语言编程,根本不用 考虑寻址方式,因为这是编译程序的事,但 若用汇编语言编程,则应对它有确切的了解, 才能编出正确而又高效的程序.此时应认真 阅读指令系统的说明书,因为不同计算机采 用的寻址方式是不同的,即使是同一种寻址 方式,在不同的计算机中也有不同的表达方 式或含义. 思考:设计指令系统时,数据的寻址方式 越多越好吗?为什么?
4.直接寻址 指令中的形式地址A就是操作数的真实 地址EA,这种寻址方式称为直接寻址方式, 又称为绝对寻址方式.如图5-3所示.
OP 寻址特征 A 主存 A 操作数
图5-3 直接寻址方式
例如: MOV AL,[0080H] MOV AX,[1000H]
第三章 指令系统
（１） 三地址双操作
50
指令
数指执令行一条三地址的加法指令需要访问51４
下条指令
次主.存。
个 （ 假 单 存A显 设 元 放１号第中地指中在三单）址令，主一取地O，存第存元址次第P指放一的（双中从二令在、１A操２取５操的主第０作第０作含存二０）数一义 的 操号数存指和→为 ５ 作操令单，的２： ０ 数A有作元第３０３分３号０数中四０别，取次０第指将号三令加单次，法元从第的。２二结120000０次果０从保第第１存一二号操操０到...单作作０主元数数
寄存器/存储器：直接给出寄存器或存储 器的地址码（名称）即可； 注：寄存器（CPU内部或外围设备内部） 及存储器的编址方式： 1）字编址、字节编址、位编址； 2）统一编址、非统一编址
操作数的编码方式
例：设某机主存容量为１６MB ，机器 字长１６ 位，若最小寻址单位为字节 （按字节编址） ，其地址码为多少位？ 若最小寻址单位为字（按字编址） ，其 地址码又为多少位？
共需１２ 条指令，其中７ 条一地址的进、出栈指令， ５ 条零地址的算术运算指令。进、出栈指令３ 次访 存，算逻指令４ 次访存，执行此程序共访存７ × ３ ＋ ５ × ４ ＝ ４１ 次。
例： 某一机器的指令系统，操作码８ 位， 地址码均为１６ 位，CPU 与主存之间每次传 送１６ 位数据。A 、B 、C 、D 、E 表示字地 址，存放１６ 位数据。
常用指令寻址方式
顺序寻址方式 跳跃寻址方式：直接、相对、间接
栈及相关概念
1、栈的分类： 用寄存器实现堆栈（串联堆栈） 内存中开辟堆栈区
自底向上生成堆栈 自顶向下生成堆栈 2、栈的建立： 将栈顶地址传送到SP中 3、栈的操作： PUSH/POP、MOV
IA32指令系统
《计算机组成原理》教程第4章指令系统
4
二 指令的格式
即指令字用二进制代码表示的结构形式
包括 操作码：操作的性质 操作码 地址码：操作数（operand）的存储位置,即参加操作的 operand , 地址码 数据的地址和结果数的地址
操作码域（op） 地址码域（addr）
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1.操作码 操作码
指令的操作码表示该指令应进行什么性质的操作。 组成操作码字段的位数一般取决于计算机指令系统的 规模。 固定长度操作码：便于译码，扩展性差 . 可变长度操作码：能缩短指令平均长度 操作码的的位数决定了所能表示的操作数,n位操 作码最多表示2n种操作
(2)． 堆栈工作过程 ．
（一）进栈操作 ① 建立堆栈，由指令把栈顶地址送入SP，指针 指向栈顶。 ② 进栈：(A)→Msp, (sp)-1→SP ；Msp:存储 器的栈顶单元 （二）出栈操作 （SP）+1→SP, (Msp)→A
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五.指令类型
一个较完善的指令系统应当包括: 数据传送类指令： 例）move、load、store等 算术运算类指令： 例）add、sub、mult、div、comp等 移位操作类指令： 例） shl，shr，srl，srr 逻辑运算类指令： 例）and、or、xor、not等 程序控制类指令： 例）jump、branch、jsr、ret、int等 输入输出指令： 例）in、out等 字符串类指令： 例）如alpha中cmpbge、inswh、extbl等 系统控制类指令： 例）push、pop、test等
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10) *段寻址方式 段寻址方式 Intel 8086 CPU中采用了段寻址方式（基址寻址的特例）。 由16位段寄存器和16位偏移量产生20位物理地址 11)*自动变址寻址 自动变址寻址 指在变址方式中,每经过一次变址运算时,都自动改变变址寄存 器的内容,以后在PDP-11中详讲.
指令系统
第 4 章 指令系统华南理工大学 黄钦胜 编 本章重点： 本章重点：指令格式，功能及分类。
指令和数据的寻址方式。
堆栈及其实现。
RISC 和 RISC 的特点。
4.1 指令1． 概述：（1） 指令系统 指令：指挥计算机执行某种操作的命令。
指令系统：某计算机所能执行的全部指令，称为该机的指令系统。
（2） 指令系统的类型 ① 复杂指令系统计算机 CISC ② 精简指令系统计算机 RISC （3）指令系统与软硬件的关系 按指令系统功能构造硬件组织；硬件支持指令系统功能 的实现；在指令系统的基础上构造系统软件。
2． 对指令系统性能的要求指令系统的设计是计算机系统设计中的一个核心问题。
（1） 完备性： 要求指令系统丰富,功能齐全，使用方便。
（2） 有效性： 指编写出的程序能高效率运行，占存储空间小，执行速度快。
（3）规整性： 包括对称性、匀齐性、指令格式和数据格式的一致性。
①对称性：指令系统中所有的寄存器和存储器单元都可同等对待，所有指 令都可使用各种寻址方式。
②匀齐性：一种操作性质的指令可支持各种数据类型。
③一致性：指令的长度和数据的长度有一定的关系，以便处理和存取，通 常为字节长度的整数倍。
④兼容性：系列机各机种之间具有相同的基本结构和共同的基本指令集， 而且“向上兼容” 。
4.1.1 指令的基本格式OP 操作码字段 A 操作数地址字段1． 操作码 OP——用于指示指令的操作性质及功能。
n≥log2N 或 N≤2n 式中，N——指令系统基本指令的条数。
n——OP 的二进制位数。
2． 地址码 A——指示操作数或指令的地址。
A 的位数越多，访问内存的范围（寻址范围）越大。
通常还包含寻址方式码。
3． 指令字长——一条指令含有的二进制位数。
指令字长和机器字长通常是整倍数关系。
4． 决定指令格式的主要因素。
操作种类、地址个数、寻址方式。
4.1.2 地址码格式1． 三地址指令 OP A1 A2 A3指令意义：(A1) OP (A2) A3 优点：适用于需保留操作数的场合。
计算机组成原理-第4章_指令系统
7. 段寻址方式(Segment Addressing)
方法：E由段寄存器的内容加上段内偏移地址而形成。
应用：微型机采用段寻址方式，20位物理地址为16位 段地址左移四位加上16位偏移量。
分类：① 段内直接寻址； ② 段内间接寻址； ③ 段间直接寻址； ④ 段间间接寻址；
9 堆栈寻址方式
堆栈：是一组能存入和取出数据的暂时存储单元。
*** 指令字长度
概念 指令字长度（一个指令字包含二进制代码的位数） 机器字长：计算机能直接处理的二进制数据的位数。 单字长指令 半字长指令 双字长指令
多字长指令的优缺点
优点提供足够的地址位来解决访问内存任何单元的寻址问题 ； 缺点必须两次或多次访问内存以取出一整条指令，降低了CPU的运 算速度，又占用了更多的存储空间。
*** 指令系统的发展与性能要求
*** 指令系统的发展
指令：即机器指令，要计算机执行某种操作的命令。
指令划分：微指令、机器指令和宏指令。
简单
复杂
指令系统：一台计算机中所有指令的集合；是表征
计算机性能的重要因素。
系列计算机：基本指令系统相同、基本体系结构相同 的一系列计算机。
*** 对指令系统性能的要求
（2）立即数只能作为源操作数，立即寻址主要用来给寄存 器或存储器赋初值。以A～F开头的数字出现在指令中时，前 面要加0。
（3）速度快（操作数直接在指令中，不需要运行总线周期）
（4）立即数作为指令操作码的一部分与操作码一起放在代 码段区域中。
（5）指令的长度（翻译成机器语言后）较长，灵活性较差。
【例】MOV AX， 10H 执行后（AX）=？ 其中：这是一条字操作指令，源操作数为立即寻址 方式，立即数为0010H，存放在指令的下两个单元。
指令系统分类及高级语言
1.2 指令系统与高级语言
传统的冯•诺依曼计算机的机器语言和高级程序设计语言在语义上的 差别的主要原因：
（1）存储器组织方式不同。冯•诺依曼计算机的存储器是一维的线性 结构，而高级程序设计语言表示的存储器则是一组变量，访问时调用变量 即可，不必考虑访问方法，而且数据结构经常是多维的，如数组结构。
（2）高级程序设计语言中，高级语言中的每种操作对于任何数据类型 都是通用的，数据类型直接属于数据本身，而冯•诺依曼计算机的数据本 身没有属性标志，同一种操作要用不同的操作码来对数据类型进行区分。
这些差别间的变换工作，主要由编译程序来承担。
指令系统分类及高级语言
1.1 CISC与RISC
（1）复杂指令集计算机（ CISC： Complex Instruction Set Computer） 指令系统十分庞大，指令类型、寻址方式较多，机器语言和高级语言 之间的语义差距正在缩小。 （2）精简指令集计算机（ RISC：Reduced Instruction Set Computer）。 选用使用频率最高的少数指令，尽量使所有的简单指令在一个机器周 期内执行完，采用大量的寄存器、高速缓冲存储器等技术，通过优化编译 程序，提高处理速度。机器语言和高级语言的差距较大，这个差距主要靠 提高计算机运行速度和配置优化编译程序来弥补。
03.9 第三章 - 单片机指令系统(位操作指令MOV、SETB、CLR、CPL、ANL、ORL)
；A = 59H = 0101 1001B ；P1 = A = 0101 1001B ；C = 1 ；ACC.1 = 1 ；P1.3 = 0 ；P1.6 = 0 ；P1.2 = 1 ；（20H）= P1 = 0001 0101B ；（30H）= A = 0101 1011B
09:43
单片机技术
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3.9.2 位控制指令（SETB、CLR、CPL）
；P1.0 = 1 ；ACC.3 = 0 ；C = 1 ；C = 1 ；C = 1 ；P3.4 = 1
09:43
单片机技术
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3.9.3 位条件转移指令（JC、JB、JBC）
❖ 1.判C转移指令ຫໍສະໝຸດ JC、JNC）JC rel
；先PC←PC＋2；若（Cy）= 1时转移，且PC'
=PC＋rel，否则顺序执行
CPL bit ；（bit）= （/bit）
▪ 功能：将Cy或bit取反。
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单片机技术
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3.9.2 位控制指令（SETB、CLR、CPL）
❖ 课堂练习
▪ 执行以下指令？
SETB P1.0 CLR 20H CLR PSW.2 CPL PSW.2 CLR RS0 SETB RS1
；P1.0 = 1 ；20H = 0 ；PSW.2 = 0 ；PSW.2 = 1 ；RS0 = 0 ；RS1 = 1
❖ 1.位置1指令（SETB）
▪ 格式：SETB C ；（Cy） = 1
SETB bit ；（bit）= 1
▪ 功能：将Cy或bit置1。
❖ 2.位置0指令（CLR）
▪ 格式：CLR C ；（Cy） = 0
CLR bit ；（bit）= 0
▪ 功能：将Cy或bit置0。
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指令系统的分类
一、数据传递类指令
数据传送指令包括数据的传送、交换、堆栈数据的压入与弹出，是最基本、使用率最高的一类指令。
助记符有MOV、MOVX、MOVC、XCH、XCHD、SWAP、PUSH、POP共八种。
1．MOV类指令及功能（16条）
这类指令的功能是从源操作数到目的操作数的数据传送。
MOV A, Rn ；Rn→A，寄存器Rn的内容送到累加器A
MOV A, direct ；（direct）→A，直接地址中的内容送A
MOV A, @Ri ；（Ri）→A，Ri间址的内容送A
MOV A, #data ；data→A，立即数送A
MOV Rn,, A ；A→Rn，累加器A中的内容送寄存器Rn
MOV Rn, direct ；（direct）→Rn；直接地址中的内容送Rn。