计算机组成原理(白中英)第4章指令系统
计算机组成原理第五版 白中英(详细)第4章习题参考答案
第4章习题参考答案1．ASCII码是7位，如果设计主存单元字长为32位，指令字长为12位，是否合理？为什么？答：不合理。
指令最好半字长或单字长，设16位比较合适。
一个字符的ASCII 是7位，如果设计主存单元字长为32位，则一个单元可以放四个字符，这也是可以的，只是在存取单个字符时，要多花些时间而已，不过，一条指令至少占一个单元，但只占一个单元的12位，而另20位就浪费了，这样看来就不合理，因为通常单字长指令很多，浪费也就很大了。
2．假设某计算机指令长度为32位，具有双操作数、单操作数、无操作数三类指令形式，指令系统共有70条指令，请设计满足要求的指令格式。
答：字长32位，指令系统共有70条指令，所以其操作码至少需要7位。
双操作数指令单操作数指令无操作数指令3．指令格式结构如下所示，试分析指令格式及寻址方式特点。
答：该指令格式及寻址方式特点如下：(1) 单字长二地址指令。
(2) 操作码字段OP可以指定26=64种操作。
(3) 源和目标都是通用寄存器（可分指向16个寄存器）所以是RR型指令，即两个操作数均在寄存器中。
(4) 这种指令结构常用于RR之间的数据传送及算术逻辑运算类指令。
4．指令格式结构如下所示，试分析指令格式及寻址方式特点。
15 10 9 8 7 4 3 0答：该指令格式及寻址方式特点如下：(1)双字长二地址指令，用于访问存储器。
(2)操作码字段OP可以指定26=64种操作。
(3)RS型指令，一个操作数在通用寄存器（选择16个之一），另一个操作数在主存中。
有效地址可通过变址寻址求得，即有效地址等于变址寄存器（选择16个之一）内容加上位移量。
5．指令格式结构如下所示，试分析指令格式及寻址方式特点。
答：该指令格式及寻址方式特点如下：(1)该指令为单字长双操作数指令，源操作数和目的操作数均由寻址方式和寄存器构成，寄存器均有8个，寻址方式均有8种。
根据寻址方式的不同，指令可以是RR型、RS型、也可以是SS型；(2)因为OP为4位，所以最多可以有16种操作。
白中英《计算机组成原理》(第5版)笔记和课后习题详解复习答案
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第1章计算机系统概论
1.1复习笔记
1.2课后习题详解
第2章运算方法和运算器
2.1复习笔记
2.2课后习题详解
第3章多层次的存储器
3.1复习笔记
3.2课后习题详解
第4章指令系统
4.1复习笔记
4.2课后习题详解
第5章中央处理器
5.1复习笔记
5.2课后习题详解
第6章总线系统
6.1复习笔记
6.2课后习题详解
第7章外存与I/O设备
7.1复习笔记
7.2课后习题详解
第8章输入输出系统
8.1复习笔记
8.2课后习题详解
第9章并行组织与结构
9.1复习笔记
9.2课后习题详解
第10章课程教学实验设计
第11章课程综合设计。
计算机组成原理本全白中英
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１、定点数的表示
定点表示：约定机器中所有数据的小数点位置是 固定不变的。 由于约定在固定的位置，小数点就不再使用记号 “.”来表示。通常将数据表示成纯小数或纯整数。 n+1位定点数表示： X0 X1 X2X3… Xi … Xn-2 Xn-1Xn 其中X0为符号位， X１… Xn为数值部分, Xi为０或１。
27
任意十进制N，可以化为 N＝M×10E 其中M为小数，E为整数 一个数S的任意进制表示 （S）R＝m×Re m ：尾数，是一个纯小数。 e ：比例因子的指数，称为浮点的指数，是一个 整数。 R ：比例因子的基数，对于二进计数值的机器 是一个常数，一般规定Ｒ 为2，8或16。
28
浮点表示法：把一个数的有效数字和数的范围 在计算机的一个存储单元中分别予以表示， 这种把数的范围和精度分别表示的方法，数 的小数点位置随比例因子的不同而在一定范 围内自由浮动。 对于：101.1101（=0.1011101×20011） 只需存放0.1011101和0011即010111010011
7
第三节
计算机的硬件
一、数字计算机硬件的组成
硬件：指计算机中的电子线路和物理装置。 计算机硬件由五大部分组成：即运算器、控制器、 存储器、输入设备、输出设备。 运算器 进行数据处理或信息加工（Ｐ８） 包括各种算术运算、逻辑运算和判断处理 存储器 存放程序和数据（Ｐ９） 程序 是计算机进行各种操作和控制的依据 数据 是计算机进行操作的对象 计算机中存放的程序和数据都是二进制形式的
计算机系统具有层次性，它是由多级层次结 构组成的。其层次之间的关系十分紧密，上 层是下层功能的扩展，下层是上层的基础； 层次的划分不是绝对的，各层之间有时是相 互渗透的。
13
白中英组成原理第四版chp4
30
2、立即寻址
特点：在取指令时，操作码和操作数被同步取出，不 必再次访问存储器，从而提升了指令旳执行速度。
但是，因为操作数是指令旳一部分，不能被修改； 而且对于定 长指令格式，操作数旳大小将受到指令长
度旳限制，所以这种寻址方式灵活性最差 一般用于给某一寄存器或主存单元赋初值，或者用于
使用时有一点必须注意：指令执行之后，A1中原存 旳内容已经被新旳运算成果替代了。
12
二、地址码
二地址地址根据操作数旳物理位置分为：
SS 存储器-存储器类型 RS 寄存器-存储器类型 RR 寄存器-寄存器类型
慢
13
二、地址码
一地址指令
指令格式为：
θ A1
操作码θ 第一操作数A1
(AC)θ(A1) →A1 (PC)+1→PC 单操作数运算指令，如“+1”、“-1”、“求反” 指令中给出一种源操作数旳地址
器方式和24种变址方式（参照汇编语言教材）； Reg或OP（3位）指定另一种操作数（寄存器）或
用作OP旳补充。
操作码 Mod Reg或操作码 R/M S I B 位移量 立即数
1个字节
1个字节
21
七、 Pentium指令格式
S、I、B共1个字节，分别是百分比系数、变址寄存器 号、基址寄存器号，可选。mod-R/M中旳某些编码要 求SIB字节来完毕寻址方式旳指定；
第四章 指令系统
4.1 指令系统旳发展与性能要求 4.2 指令格式与 4.3 操作数类型 4.4 指令和数据旳寻址方式 4.5 经典指令
返回 1
4.1 指令系统旳发展与性能要求
1、指令在计算机系统中旳地位 （1）是软件和硬件分界面旳一种主要标志
计算机组成原理(白中英)
D0
D1
D2
D3
A校验码 B校验码 C校验码 D校验码
系统结构
RAID4
I/O系统
❖ 专用奇偶校验独立存取盘阵列
❖ 数据以块（块大小可变）交叉的方式存于各盘， 奇偶校验信息存在一台专用盘上
数据块
校验码 产生器
A0
A1
A2
A3
B0
B1
B2
B3
C0
C1
C2
C3
D0
D1
D2
D3
A校验码 B校验码 C校验码 D校验码
❖ 只写一次光盘
只写一次光盘（Write Once Only）：可以由用户写入 信息，不过只能写一次，写入后不能修改，可以多次读 出，相当于PROM。在盘片上留有空白区，可以把要修 改和重写的的数据追记在空白区内。
❖ 可檫写式光盘
可檫写式光盘（Rewriteable）：利用磁光效应存取信 息，采纳特殊的磁性薄膜作记录介质，用激光束来记录、 再现和删除信息，又称为磁光盘，类似于磁盘，可以重 复读写。
RAID6
I/O系统
❖ 双维奇偶校验独立存取盘阵列
❖ 数据以块（块大小可变）交叉方式存于各盘， 检、纠错信息均匀分布在全部磁盘上
系统结构
A0 A1 A2
3校验码 D校验码
B0 B1
2校验码 C校验码
B2
C0
1校验码 B校验码
C1 C2
0校验码 A校验码
D1 D2 D3
校验码 产生器
7.7 光盘存储设备
– 正脉冲电流表示“1”，负脉冲电流表示“0”； – 不论记录“0”或“1”，在记录下一信息前，记录电流
恢复到零电流 – 简洁易行，记录密度低，改写磁层上的记录比较困难，
计算机组成原理_白中英_教案
x=1－2－n x=2－n x=－2－n x=－（1－2－n ）
最大 最接近0的正数 最接近0的负数 最小
定点纯整数
• x0 x1 x2 x3 … xn-1 xn
符号 量值 小数点固定于最后一位之后， 不需专门存放位置
• 表示数的范围是
？：最小数、最大数、最接近0的正数、最接近0的负数呢
n 0≤|ｘ|≤2 －1
阶符 阶码 数符 尾数
IEEE754标准
– IEEE754标准(规定了浮点数的表 示格式,运算规则)
• 规则规定了单精度(32)和双精度(64) 的基本格式. • 规则中,尾数用原码,指数用移码(便于 对阶和比较)
IEEE754标准
• 按照移码的定义应为E=e+128,为什么书上?? • 原因:规格化的32位浮点数尾数第一位应为1 • 如数+0.111*220(规格化数)
（证明）
-n [-y] [-y] = 乛 [y] +2 为了求得同时 补，需要证明 补 补 （意义是[-y]补等于[y]补取反，末位加1）
2.2.1补码加减法
– 如： y=0.0111 [y]补=0.0111 [-y]补=1.1001
从右边到左边，除了第一个1和右边的0保 持不变以外，其它按位取反,很重要哟！
• • • • 操作系统 各种服务程序 语言程序 数据库管理系统
– 应用软件
返回
发展演变（以系统软件为例）
• • • • 手编程序 汇编程序 算法语言 操作系统
– – – – BPOS TSOS RTOS NWOS
返回
§1.4计算机系统的层次结构
高级语言机器 虚拟机M4
• 多 级 组 成 的 计 算 机 系 统
计算机组成原理 第四章指令系统4.4~4.5
2 存储器堆栈
2 存储器堆栈
当建立存储器堆栈时， 当建立存储器堆栈时，可用程序 来设置。 来设置。把一个主存地址送入堆 栈指示器，就可确定堆栈的顶。 栈指示器，就可确定堆栈的顶。 在存储器堆栈中， 在存储器堆栈中，数据的压入或 取出操作，通常也是使用“进栈” 取出操作，通常也是使用“进栈” 指令和“出栈”指令来实现的， 指令和“出栈”指令来实现的， 但是指令的功能和串联堆栈中的 情况有所不同。 情况有所不同。
1 串联堆栈
一些计算机的CPU中有 中有 一些计算机的 一组专门的寄存器， 一组专门的寄存器，有 16个或更多，它们称为 个或更多， 个或更多 串联堆栈，其中每一个 寄存器能保存一个字的 数据。 数据。
1 串联堆栈
2 存储器堆栈
串联堆栈存在一些限制: 串联堆栈存在一些限制 一是寄存器的数目一般是有限的 寄存器的数目一般是有限的。 一是寄存器的数目一般是有限的。如堆 栈有8个寄存器，那么把多于8 栈有8个寄存器，那么把多于8个的数据 压入堆栈时, 压入堆栈时,“老”的数据就从栈底压 出并被丢失。 出并被丢失。 二是堆栈的读出是破坏性的。 二是堆栈的读出是破坏性的。当从堆栈 取出一个数时， 取出一个数时，它就不能再在堆栈中存 在。
量软件如何转到RISC平台上来是首先要考虑的 ； 而且这些公司的 平台上来是首先要考虑的； 量软件如何转到 平台上来是首先要考虑的 操作系统专用性强，又比较复杂，更给软件的移植带来了困难。 操作系统专用性强，又比较复杂，更给软件的移植带来了困难。
而像SUN微系统公司 ， 以 UNIX操作系统作为基础 ， 软 微系统公司， 操作系统作为基础， 而像 微系统公司 操作系统作为基础 件移植比较容易，因此它的工作站的重点很快从CISC(用 件移植比较容易，因此它的工作站的重点很快从 用 68020微处理器 转移到 微处理器)转移到 徽处理器)。 微处理器 转移到RISC(用SPARC徽处理器 。 用 徽处理器
白中英计算机组成原理第4章指令系统(选用)
• 指令系统概述 • 指令格式与寻址方式 • 指令集架构与设计 • 指令执行过程与优化 • 异常处理与中断机制 • 总结与展望
01
指令系统概述
指令系统定义与功能
指令系统定义
指令系统是计算机硬件的语言系统， 也叫机器语言，指机器所具有的全部 用来完成一定功能的指令的集合。
中断周期
如果发生中断请求，则进入中断周期。保存现场信息，跳 转到中断服务程序执行。中断服务程序执行完毕后，恢复 现场信息并返回到原程序继续执行。
05
异常处理与中断机制
异常处理概念及作用
异常处理定义
异常处理是计算机系统中对运行过程中出现 的非正常情况进行检测、识别，并采取相应 措施进行处理的过程。
依赖于其他指令的指令，从而提高执行效率。
实例：某型计算机指令执行过程
取指周期
从存储器中读取指令，并将其放入指令寄存器中。同时， PC（程序计数器）自增，指向下一条指令的地址。
间址周期
如果指令需要访问存储器，则计算操作数的有效地址。
执行周期
根据操作码和操作数执行相应的操作。如果是算术或逻辑 运算，则计算结果；如果是数据传输，则进行数据的读写 操作。
从存储器或寄存器中读取操作数 。
指令执行优化策略探讨
流水线技术
01
将一条指令的执行过程分解为多个阶段，每个阶段由不同的硬
件部件并行执行，从而提高指令执行速度。
分支预测技术
02
对于条件分支指令，采用分支预测技术提前预测分支的转移方
向，减少等待时间。
乱序执行技术
03
允许指令的执行顺序与程序中的顺序不一致，优先执行那些不
指令系统功能
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计算机组成原理(白中英)第4章指令系统指令系统概述寻址方式指令系统20XX年3月15日10时45分概述指令：是指示计算机某种操作的命令。
微指令，机器指令，宏指令指令系统：一台计算机中所有机器指令的集合。
它是机器硬件设计的依据，也是软件设计的基础。
它决定了一台计算机硬件的主要性能和基本功能。
是硬件和软件间的界面。
系列计算机：有共同的指令集，相同的基本体系结构。
CISC和*****X年3月15日10时45分2一个完善的指令系统应满足：1.完备性：指令丰富，功能齐全，使用方便。
1.完备性：指令丰富，功能齐全，使用方便。
完备性 2.有效性程序占空间小，执行速度快。
有效性： 2.有效性：程序占空间小，执行速度快。
3.规整性对称性，匀齐性，规整性：3.规整性：对称性，匀齐性，指令格式和数据格式的一致性。
据格式的一致性。
4.兼容性兼容性：4.兼容性：向上兼容”----系列机中低档机上运行“向上兼容”----系列机中低档机上运行的软件可以在高档机上运行。
的软件可以在高档机上运行。
20XX年3月15日10时45分计算机语言与硬件结构的关系高级语言的语句和用法与具体机器的指令系统无关；低级语言分机器语言和汇编语言，他们和具体机低级语言分机器语言和汇编语言，器的指令系统密切相关。
器的指令系统密切相关。
汇编语言与硬件的关系密切，编写的程序紧凑、汇编语言与硬件的关系密切，编写的程序紧凑、占内存小、速度快，占内存小、速度快，特别适合与编写经常与硬件打交道的系统软件；打交道的系统软件；而高级语言不涉及机器的硬件结构，通用性强、编写程序容易，件结构，通用性强、编写程序容易，特别适合与编写与硬件没有直接关系的应用软件。
编写与硬件没有直接关系的应用软件。
20XX年3月15日10时45分4概述机器指令的要素C C C C 操作码源操作数目的操作数下一条指令的引用指令字(简称指令)即表示一条指令的机器字。
指令字(简称指令)即表示一条指令的机器字。
指令格式则是指令字用二进制代码表示的结构形指令格式则是指令字用二进制代码表示的结构形操作码字段和地址码字段组成字段和地址码字段组成。
式，由操作码字段和地址码字段组成。
操作码20XX年3月15日10时45分操作数操作数51.操作码设计计算机时，设计计算机时，对指令系统的每一条指令都要规定一个操作码。
要规定一个操作码。
指令操作码表示该指令进行什么性质的操作, 指令操作码表示该指令进行什么性质的操作, 表征指令的操作特性与功能。
表征指令的操作特性与功能。
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。
令系统的规模。
例如，一个指令系统只有8 条指令，则有3 例如，一个指令系统只有8 条指令，则有 3 位操作码就够；如果有32条指令，那么就需要5 32条指令操作码就够；如果有32条指令，那么就需要5位操作码。
作码。
20XX年3月15日10时45分2.地址码地址码字段通常指定参与操作的操作数的地址。
作数的地址。
根据一条指令中有几个操作数地址，根据一条指令中有几个操作数地址，可将该指令称为几操作数指令或几地址指令。
目前，该指令称为几操作数指令或几地址指令。
目前，二地址指令和一地址指令用的最多。
二地址指令和一地址指令用的最多。
三地址指令二地址指令一地址指令零地址指令20XX年3月15日10时45分操作码操作码操作码操作码A1 A1 A1A2 A2A3(1)零地址指令的指令字中只有操作码，而没有地(1)零地址指令的指令字中只有操作码，零地址指令的指令字中只有操作码址码。
址码。
(2)一地址指令常称为单操作数指令。
(2)一地址指令常称为单操作数指令。
一地址指令常称为单操作数指令OP (A) - A (AC) OP (A) - AC (3)二地址指令常称为双操作数指令。
(3)二地址指令常称为双操作数指令二地址指令常称为双操作数指令。
(A1) OP (A2) - A1 (4)三地址指令字中有三个操作数地址。
(4)三地址指令字中有三个操作数地址三地址指令字中有三个操作数地址。
(A1) OP (A2) - A3 OP表示操作性质;(AC)表示累加寄存器AC中的数；OP表示操作性质表示操作性质; AC)表示累加寄存器AC中的数；AC中的数(A)表示内存中地址为A的存储单元中的数或运表示内存中地址为A 算器中地址为A的通用寄存器中的数；算器中地址为A的通用寄存器中的数；→表示把操运算)结果传送到指定的地方。
作(运算)结果传送到指定的地方。
20XX年3月15日10时45分8二地址指令格式中，从操作数的物理位置来说，二地址指令格式中，从操作数的物理位置来说，又可归结为三种类型。
又可归结为三种类型。
存储器-存储器(SS)型指令：操作时都是涉及存储器-存储器(SS)型指令：内存单元，参与操作的数都放在内存里，内存单元，参与操作的数都放在内存里，从内存某单元中取操作数，操作结果存放至内存另一单元中，元中取操作数，操作结果存放至内存另一单元中，因此机器执行这种指令需要多次访问内存。
此机器执行这种指令需要多次访问内存。
寄存器-寄存器(RR)型指令：需要多个通用寄寄存器-寄存器(RR)型指令：存器或个别专用寄存器，从寄存器中取操作数，存器或个别专用寄存器，从寄存器中取操作数，把操作结果放到另一寄存器。
机器执行寄存器作结果放到另一寄存器。
机器执行寄存器-寄存器型指令的速度很快，因为执行这类指令，不需要访问内存。
令的速度很快，因为执行这类指令，不需要访问内存。
寄存器-寄存器(RS)型指令：执行此类指令时，寄存器-寄存器(RS)型指令：执行此类指令时，既要访问内存单元，又要访问寄存器。
既要访问内存单元，又要访问寄存器。
20XX年3月15日10时45分93.指令字长度一个指令字中包含二进制代码的位数，称为指令字长度。
而机器字长是指计算机能直接处理的二进制数据的位数，与主存单元的位数一致，它决定了计算机的运算精度。
它们之间关系如上：其中L为指令字长度，它们之间关系如上：其中L为指令字长度，N为机器字长度20XX年3月15日10时45分10使用多字长指令，目的在于提供足够的地址位来解决访问内存任何单元的寻址问题。
其主要缺点是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。
等长指令字结构:各种指令字长度是相等的。
这种指令字结构简单，且指令字长度是不变的。
变长指令字结构:各种指令字长度随指令功能而异。
结构灵活，能充分利用指令长度，但指令的控制较复杂。
20XX年3月15日10时45分114.指令助记符4.指令助记符由于硬件只能识别1 由于硬件只能识别1和0,所以采用二进制操作码是必要的，二进制操作码是必要的，但是书写程序却非常麻烦。
却非常麻烦。
为了便于书写和阅读程序，为了便于书写和阅读程序，每条指令通常用3个或4个英文缩写字母来表示。
令通常用3个或4个英文缩写字母来表示。
这种缩写码叫做指令助记符指令助记符。
这种缩写码叫做指令助记符。
在不同的计算机中，在不同的计算机中，指令助记符的规定是不一样的。
因此，规定是不一样的。
因此，指令助记符还必须转换成与它们相对应的二进制码。
必须转换成与它们相对应的二进制码。
20XX年3月15日10时45分12指令格式举例八位微型计算机的指令格式8位微型机字长只有8位，指令结构是一种可变字长形式，包含单字长、双字长、三字长指令等多种。
单字长指令操作数双字长指令操作数三字长指令操作数操作数地址操作数地址操作数地址内存按字节编址，所以单字长指令每执行一条指令后，指令地址加1。
双字长指令或三字长指令每执行一条指令时，指令地址要加2或加3,可见多字长的指令格式不利于提高机器速度。
20XX年3月15日10时45分13指令和指令系统――指令的使用指令和指令系统一般的操作数类型大小选择主要有：字一般的操作数类型大小选择主要有：半字( 16位单字( 32位节、半字( 16 位) 、单字( 32 位) 、和双字(64位双字(64位)。
字节7% 整型平均半字19% 31% 单字74% 69% 双字0%20XX年3月15日10时45分浮点平均20%40%60%80%14指令格式如下所示，其中机器字长16 16位例：指令格式如下所示，其中机器字长16位，OP 为操作码，试分析指令格式的特点。
为操作码，试分析指令格式的特点。
15OP 9-----7源寄存器4 3目标寄存器[解]: (1)单字长二进制指令。
(2)操作码字段OP可以指定27=128条指令。
(3)源寄存器和目标寄存器都是通用寄存器(可分别指定16个),所以是RR型指令，两个操作数均在寄存器中。
(4)这种指令结构常用于算术逻辑运算类指令。
20XX年3月15日10时45分15例：指令格式如下所示，OP为操作码字指令格式如下所示，OP为操作码字试分析指令格式特点。
段，试分析指令格式特点。
15 10 7 4 3 0[解]: 解：(1)双字长二地址指令，用于访问存储器。
(2)操作码字段OP 为6位，可以指定64种操作。
(3)一个操作数在源寄存器(共16个),另一个操作数在存储器中(由变址寄存器和位移量决定) 所以是RS型指令。
20XX年3月15日10时45分16指令和数据的寻址方式指令的寻址方式计算机中有两种信息。
指令和数据( 计算机中有两种信息。
即指令和数据(或称操作数) 它们都存放在存储器相应的地址中。
作数) , 它们都存放在存储器相应的地址中。
运行程序时，计算机逐条执行指令，并对数据进行处理。
程序时，计算机逐条执行指令，并对数据进行处理。
如何从存储器中找到所需要的指令或数据呢？如何从存储器中找到所需要的指令或数据呢？很明只要找到它们在存储器的有效地址即可。
显，只要找到它们在存储器的有效地址即可。
所谓寻址方式寻址方式，所谓寻址方式，就是寻找指令或操作数的有效地址的方式。
地址的方式。
顺序寻址方式：顺序寻址方式：按照指令在内存的存放位置顺序地取出指令，然后执行的过程，为顺序寻址方式。
取出指令，然后执行的过程，为顺序寻址方式。
跳跃寻址方式：程序转移执行的顺序。
跳跃寻址方式：程序转移执行的顺序。
171. 2.20XX年3月15日10时45分内存PC1.顺序寻址1.顺序寻址100100 101为了达到顺序寻址的目的，CPU中必须有的目的，CPU中必须有+1 一个程序计数器(PC) 一个程序计数器(PC) 对指令的顺序号进行计PC中开始时存放程数。
PC中开始时存放程序的首地址，序的首地址，然后每执行一条指令，PC加行一条指令，PC加1, 以指出下条指令的地址，以指出下条指令的地址，直到程序结束。
直到程序结束。
20XX年3月15日10时45分PC 100主存Jmp 1032. 跳跃寻址当程序中出现分支或循环时，当程序中出现分支或循环时，就会改变程序的执行顺序。