第四章指令系统
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计算机组成原理第4章指令系统课件
4.2 指令的格式
4.2.1 指令的编码格式
操作码OC
AC1
AC2
（1）把保存操作前原来操作数的地址称为源点地址(SS)， 把保存指令执行结果的地址称为终点地址或目的地址(DD)。
（2）将源点与终点操作数进行操作码规定的操作后，将 结果存入终点地址。通常二地址指令又称为双操作数指令。
ADD R0，R1表示将R0寄存器的内容和R1寄存器的内容相加以
5 异或XOR
XOR指令对两个操作数进 行按位异或运算。
4.4 指令的种类
4.4.4 移位、循环类指令
CF
位移指令SAL/SHL操作示意图
CF
SAR操作示意图
CF 0
SHR操作示意图
4.4 指令的种类
4.4.4 移位、循环类指令
不带进位标志的循环左移指令ROL MSB 操作数 LSB
CF
不带进位标志的循环右移指令ROR MSB 操作数 LSB
例如：在IBM-PC指令系统中
MOV
AX，05FFH
4.3 寻址方式
4.3.2 常用的寻址方式
2.直接寻址方式
（1）含义： 是指地址字段直接指明操作数在存储器内的位置的寻址 方法。即形式地址等于有效地址。 （2）优缺点： A、优点：简单，不需要进行加法运算。 B、缺点：地址空间指令地址字段长度的限制。
4.2 指令的格式
4.2.3 指令助记符
通常采用一些符号来代表二进制数据，这些符号即指 令助记符。
指令助记符 ADD SUB MUL DIV
助记符示例
含义
指令助记符
相加
AND
相减
OR
相乘
LOAD
相除
STORE
第四章 指令系统[一]
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译码开始
4：16译码器 ： 译码器
4：16译码器 ： 译码器
4：16译码器 ： 译码器
4：16译码器 ： 译码器
…
15条三地址指令 15条三地址指令
…
14条二地址指令 14条二地址指令
…
31条一地址指令 31条一地址指令
…
16条零地址指令 16条零地址指令
图4.1 指令译码逻辑图
•
注意事项: 注意事项: • 短操作码不能与长操作码 的前面代码部分相同； 的前面代码部分相同； • 各指令的操作码一定不能重复,而且各类指令的 各指令的操作码一定不能重复, 格式安排应统一规整. 格式安排应统一规整.
例1(P151.题2):假设某计算机指令长度为20位,具有双操作 1(P151.题2):假设某计算机指令长度为20位 假设某计算机指令长度为20 单操作数、无操作数三类指令形式, 数、单操作数、无操作数三类指令形式,每个操作数地址 规定用6位表示, 规定用6位表示,问： 若操作码字段固定为8 现设计出m条双操作数指令,n 若操作码字段固定为8位,现设计出m条双操作数指令,n 固定为 条无操作数指令,在此情况下, 条无操作数指令,在此情况下,这台计算机最多可以设计出 多少条单操作数指令？ 多少条单操作数指令？ 解 ： 2 8 - m - n条
(1) 三个容易混淆的基本概念
• 指令字长:一条指令中包含二进制代码的位数. 指令字长:一条指令中包含二进制代码的位数. • 存储字长:存储单元中二进制数的位数. 存储字长:存储单元中二进制数的位数. • 机器字长:计算机能直接处理的二进制数据的 机器字长: 位数,通常与主存单元的位数一致. 位数,通常与主存单元的位数一致.
例:设某机器的指令字长为16位,包括基本操作码4位 设某机器的指令字长为16位 包括基本操作码4 16 和三个地址字段,每个地址字段长4 其格式为: 和三个地址字段,每个地址字段长4位,其格式为: 15 12 11 A1 OP 8 7 A2 4 3 A3 0
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]
《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）
5
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
22
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
18
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.
计算机原理 第四章指令系统
4. 寄存器间接寻址方式
指令给出寄存器号，寄存器中存放着操作数的地址。
优点：寄存器的位数 较长（一般为机器字 长），足以访问整个 内存空间，这样既有 效地压缩了指令长度， 又解决了寻址空间太 小的问题。
主存单元 例： ADD (R1)，(R2) R0 1000H 1000H 3A00H
R1
2C00H＋ 3B00H → 3000H单元 R2
计 算 机 组 成 原 理
指令扩展举例 1
16位指令字 三地址指令范围 xxxx
0000 1110 1111 1111 1111 1111 1111 1111
xxxx xxxx xxxx
A1 A1 0000 1110 1111 1111 1111 1111 A2 A2 A1 A1 0000 1110 1111 1111 A3 A3 A2 A2 A1 A1 0000 1111
２．变长操作码，定长指令码。
操作码长度不固定，但指令码的长度固定。这种设计当操作码变 长时，地址码就缩短（地址个数变少），但指令字总长不变。 〔例〕 设某机器的指令长度为16位，包括基本操作码4位和三个 地址字段，每个地址字段长4位，其格式为： 15 14 13 12 OP 11 10 9 8 AD1 7 6 5 4 AD2 3 2 AD3 1 0
第四章
§4.1 指令格式
指令系统
（Ｐ148）
§4.2
寻址方式
§4.3 指令类型 §4.4 § 4.5 CISC和RISC 实验模型机的指令系统汇总表
§4.1 指令格式
计算机指令是计算机硬件能够识别并直接执行的操作命令，又称为 机器指令。
一、指令格式
一条指令应包括两方面的信息：操作码信息和地址码信息。 操作码OP 地址码AD
第4章 指令系统
度和数据长度有一定的关系，以方便处理和
存取。
二、对指令系统性能的要求三
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，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，在结构和性 能上有差异，做到所有软件都完全兼容是不 可能的，只能做到“向上兼容”，即低档机 上运行的软件可以在高档机上运行。
a、CISC：70年代后，大多数计算机的指 令系统多达几百条。我们称这些计算机 为复杂指令系统计算机(CISC)。
b、RISC：但是如此庞大的指令系统难以 保证正确性，不易调试维护，造成硬件 资源浪费。为此人们又提出了便于LSI技 术实现的精简指令系统计算机（RISC） 返回
二、对指令系统性能的要求一
4.4、指令和数据的寻址方式
一、指令的寻址方式 二、操作数寻址方式
三、寻址方式举例
一、指令的寻址方式一
1、寻址方式:形成操作数有效地址或指令 有效（偏移）地址的方式。 2、寻址方式分为两类，既指令寻址方式和 数据寻址方式。 3、指令的寻址方式有两种，一种是顺序寻 址方式，另一 种是跳跃寻址方式。 4、操作数或指令在存储器中的地址：某个 操作数或某条指令存放在某个存储单元 时，其存储单元的编号就是地址。请看 图示
答案：
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例三答案：
三、低级语言与硬件结构的关系
高级语言 低级语言
Visual c++、foxpro、java
与软件结构和指令系统无关 编写的程序可在不同机器上 运行
汇编语言、二进制语言
与机器、指令系统密切相关 编写的指令系统不同，不同
机器用不同汇编语言编写程 序，机器唯一可识别的是二
存取。
二、对指令系统性能的要求三
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，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，在结构和性 能上有差异，做到所有软件都完全兼容是不 可能的，只能做到“向上兼容”，即低档机 上运行的软件可以在高档机上运行。
a、CISC：70年代后，大多数计算机的指 令系统多达几百条。我们称这些计算机 为复杂指令系统计算机(CISC)。
b、RISC：但是如此庞大的指令系统难以 保证正确性，不易调试维护，造成硬件 资源浪费。为此人们又提出了便于LSI技 术实现的精简指令系统计算机（RISC） 返回
二、对指令系统性能的要求一
4.4、指令和数据的寻址方式
一、指令的寻址方式 二、操作数寻址方式
三、寻址方式举例
一、指令的寻址方式一
1、寻址方式:形成操作数有效地址或指令 有效（偏移）地址的方式。 2、寻址方式分为两类，既指令寻址方式和 数据寻址方式。 3、指令的寻址方式有两种，一种是顺序寻 址方式，另一 种是跳跃寻址方式。 4、操作数或指令在存储器中的地址：某个 操作数或某条指令存放在某个存储单元 时，其存储单元的编号就是地址。请看 图示
答案：
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例三答案：
三、低级语言与硬件结构的关系
高级语言 低级语言
Visual c++、foxpro、java
与软件结构和指令系统无关 编写的程序可在不同机器上 运行
汇编语言、二进制语言
与机器、指令系统密切相关 编写的指令系统不同，不同
机器用不同汇编语言编写程 序，机器唯一可识别的是二
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。
计原与汇编4
第四章 指令系统
（4）一地址指令 格式：
OP A
意义：单操作数指令 OP(A)→A 双操作数指令 (AX) OP (A)→AX
缩短指令长度的方法：
①结果存放在目的操作数地址中。
②用CPU中的寄存器隐含一个OP数。
③把地址隐含在寄存器中。
第四章 指令系统
（5）零地址指令
格式
OP
用于：①空操作指令、停机指令等。
01B50H 01F50H 021A0H 031ACH 被访问存储单元 段基址
FFFFFH 逻辑地址 物理地址
4、与数据相关的寻址方式
（一）寄存器寻址
• 指令中所需的操作数放在CPU内的某通用寄存器 中,由指令给出该寄存器的地址。 指令（地址码部分）：通用寄存器的地址，R#
操作数地址形成： 操作数： R# 在通用寄存器中，（ R#）
（二）操作码结构 操作码：指令中表示机器操作性质和种类的部分。
操作码长度：决定了指令系统中完成不同操作的指
令条数。
操作码设计方法：
1. 固定长度操作码 2. 可变长度操作码（扩展操作码）
（三）地址码结构
地址码结构包括：
指令中需要几个地址——指令格式；
地址如何给出——寻址方式；
地址码长度 指令格式分类： （1）四地址指令 格式
0H
正在执行的指令 下一条指令
IP（指令指针）是指令的地址指针。
（4）标志寄存器FR（Flags Register）
记录程序执行时的状态，存储PSW（16位长），有9个标志位。
OF DF IF TF SF ZF AF PF CF
进位位 奇偶位 辅助进位位 零值位 符号位 单步标志位 中断允许位 方向位 溢出位
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§4.1 指令系统概述
一、 概念 指令系统：一台机器所包含的全部指令 不同的计算机，其用途不同，系统结构不同， 采用的硬软件技术不同，其指令系统的功能也 不同，有的强大，有的弱小，但其指令不外乎 以下几类： 1. 算逻运算类 2. 数据传送类 3. 指令控制类 4. I/O类 5. 其它：停机
§4.1 指令系统概述
一、 概念
计算机语言有：
机器语言：0、1代码，机器可直接识别；
汇编语言：符号化、需汇编程序翻译； 高级语言：B、F、C、P…需翻译（编译或解释）
机器语言是以机器指令的形式书写的语言，其它类型的语 言只有变成机器指令的形式，机器才能直接执行。 高级语言与计算机的硬件结构及指令系统无关，汇编语言 依赖于计算机的硬件结构和指令系统。不同的机器有不同 的指令，所以用汇编语言编写的程序不能在其他类型的机 器上运行。
第四章
§4.1 §4.2 §4.3 §4.4
指令系统
指令系统概述(掌握) 指令格式（重点） 寻址方式（重点） 指令类型
§4.1 指令系统概述
一、 概念
指令：指示机器执行某种操作的命令。 指令码：表示一条指令意义的二进制代码。 指令格式：指令码的编码规则称为指令格式。一条指令由 操作码和操作数两部分组成。
原则： ① 尽可能短（节省存储空间、减少访存次数、提高指令的 执行速度） ② 等于字节的整数倍 （充分利用存储空间） 在一个指令系统中，若所有指令的长度都是相等的，称为定长指令 字结构； 若各种指令的 长度随指令功能而异，称为变长指令字结构。 单字长指令：指令字长=机器字长 半字长指令：指令字长=1/2机器字长 双字长指令：指令字长=2倍机器字长
§4.1 指令系统概述
一、 概念
机器字长：指计算机能直接处理的二进制数据的位数，它决定 了计算机的运算精度。机器字长通常与主存单元的位数一致； 指令长度：指令码中二进制码的位数。它取决于操作码字段的 长度、 操作数地址的个数及长度。指令长度可以等于机器字长， 也可以大于或小于机器字长。
§4.2 指令格式
4.2.1 指令的组成 (2)非规整型(变长编码)
指令操作码的长度不尽相同 将使用频率较高而地址码要求较多的指令用较少位表示操 作码；对地址码位数要求较少的指令，用较多位表示操作 码；对无操作数的指令，整个指令字均用作操作码。 优点：在比较短的指令字中，既能表示出比较多的指令条数， 又能尽量满足操作数地址的要求。 缺点：计算机的硬件设计复杂，指令译码和执行速度较慢。 （增加了硬件设计的复杂性） 适应：适用于字长较短的计算机系统，如16位或16位以下的 微型和小型计算机。 以上两种方案，操作码一般在指令字的最高位部分。
§4.2 指令格式
4.2.1 指令的组成 指令操作码的编码有两种组织方式：规整型和非规整型 (1)规整型(定长编码)： 每条指令的操作码长度均相同
指令条数m与指令操作码字段的位数N之间关系:m2N
优点：简化了计算机的硬件设计，提高了指令译码和识别速度。 缺点：当指令长度较短时，操作数地址的位数就会严重不足。 适用：用于字长较长的大中型机或超小型机的指令系统，如32 位或32位以上。 举例：IBM370 机(字长32位)，OP 8位 规整性 规整性是指指令操作的对称性和匀齐性，指令格 式与数据格式的一致性。
对称性：指在指令系统中，所有的寄存器和存储单元
都可同等对待，这对简化程序设计，提高程序的可读 性非常有用。 匀齐性：是指一种操作性质的指令可以支持各种数据 类型。 指令的格式与数据格式的一致性：是指指令长度与数 据长度有一定关系，以方便存取和处理。
操作码：指明本条指令的操作性质和功能。如算术运算、逻辑运 算、存数、取数、转移等。每条指令分配一个确定的操作码。 操作数：指出该条指令涉及的操作数有关的信息；如：直接给出 操作数本身或者操作数的地址。
指令系统：一台计算机所能执行的全部指令的集合。 程序：使计算机执行某个特定任务的一系列指令序列。
§4.1 指令系统概述
二、对指令系统的基本要求 4、兼容性 兼容性一般是指计算机的体系结构设计基本相同， 机器之间具有相同的基本结构、数据表示和共同 的基本指令集合。
系列机：基本指令系统相同，基本结构相同的一系列
计算机。一个系列有多种型号，各型号的结构基本相 同，由于推出的时间不同，所采用的器件不同，故结 构、性能有差异，但系列机必须做到一点：软件兼容 （向上）---新机种的指令系统一定包含所有旧机种 的所有指令系统，以保证在旧机种上运行的各种软件， 可以不加修改地在所机种上运行
§4.1 指令系统概述
二、对指令系统的基本要求
1、完备性 一台计算机中最基本的、必不可少的指令构成了指令系统的完 备性。使系统能提供足够的指令用于编程；如：加、减、乘、除 都有，若只有加法、移位指令，乘法：只能用加法、移位实现， 速度慢 2、有效性 有效性是指利用该指令系统所提供的指令编制的程序能够产生 高效率。高效率主要表现在空间和时间方面，即占用存储空间小、 执行速度快。采用该指令系统编的程序能高效地运行：速度快、 占内存少。即：指令格式要短，多用寄存器寻址，少访内存。
§4.2 指令格式
指令格式与机器的字长、存储器的容量及指令的功能密切相关。 4.2.1 指令的组成 两个字段：操作码字段+操作数地址字段：
操作码字段OP
地址码字段A
一、操作码 操作码是指明指令操作性质的命令码。它提供指令的操作控 制信息。 每条指令都要求它的操作码必须是独一无二的位组合。 指令系统中指令的个数N与操作码的位数n，必须满足关系式： N≤2n
§4.2 指令格式
4.2.1 指令的组成
举例：PDP-11是16位的小型机，采用变长操作码。
7位操作码： 0111XXX 地址码1 地址码2
8位操作码： 10位操作码： 16位操作码：
10000XXX 10000101XX
位移或常数 目标地址
0000000000000XXX