第五章指令系统(寻址方式以及指令寻址)
第5章 指令系统
1.立即寻址方式
寻找的操作数紧跟在指令操作码之后，也就是说 地址码字段存放的不是操作数的地址，而是操作 数本身。 立即寻址方式的特点是：指令执行的时间很短， 因为不需要访问存储器获取操作数，从而节省了 访问存储器的时间；立即寻址方式的使用范围很 有限，主要用于给寄存器赋初值。 【例5-1】 MOV AX，67 指令执行后，（AX）=67。
操作的示意图如下图所示，这条指令的执行结果为 （AX）=3412H。
存储器 操作码 操作码 AX 00H 代码段 位 移 DISP 量
01H 20000H
201A0H 12H 34H
数据段
6.基址变址寻址
操作数的偏移地址是一个基址寄存器（BX、BP） 和一个变址寄存器（SI、DI）的内容之和。基址 变址寻址方式的格式表示为：[基址寄存器名][变 址寄存器名]或[基址寄存器名+变址寄存器名]。操 作数默认位于那个段中，是由指令中使用的基址 寄存器决定的，如果指令中指定的基址寄存器是 BX，则操作数默认在数据段中，取DS寄存器的 值作为操作数的段地址值；如果指令中指定的基 址寄存器是BP，则操作数默认在堆栈段中，取SS 寄存器的值作为操作数的段地址值，从而计算得 操作数的20位物理地址，继而访问到操作数。
每条指令由两部分组成：操作码字段和地
址码字段。格式如图5-1所示：操作码操作 数（地址码）
操作码 操作数（地址码）
图5-1 指令格式
操作码字段：用来说明该指令所要完成的操作。 地址码字段：用来描述该指令的操作对象。一般是直接给 出操作数，或者给出操作数存放的寄存器编号，或者给出操作 数存放的存储单元的地址或有关地址的信息。 根据地址码字段所给出地址的个数，指令格式可分为零地 址、一地址、二地址、三地址、多地址指令。大多数指令需要 双操作数，分别称两个操作数为源操作数和目的操作数，指令 运算结果存入目的操作数的地址中去。这样，目的操作数的原 有数据将被取代。
第5章 指令系统
第五章指令系统操作系统：DOS，WINDOWS，UNIX，......程序设计语言服务程序：KV300，PCTOOLS，...机器语言：汇编语言：高级语言解释执行编译执行PASCAL易教好学FORTRAN 计算C 长于计算控制BASIC易学好记COBOL事务管理应用软件：WORD，EXCEL，ACCESS，DBASE，......二进制,CPU直接执行的指令系统把源程序汇编成机器语言目标程序计算机系统软件5.1 指令系统概述计算机系统中运行的软件有系统软件和应用软件两种。
系统软件对整个计算机系统进行调度、管理、监视、服务，为用户提供使用方便，扩大机器功能，提高机器使用效率。
应用软件是用户针对某种领域实际应用需求而开发的软件。
许多通用商品化的应用软件现已成为系统软件,如Word 等。
前述所有各种软件的设计基础就是计算机的指令系统。
名词解释：指令：命令计算机直接进行某种基本操作的二进制代码串,也叫机器语言代码。
每条指令可以完成一个独立的算术运算或逻辑运算操作。
从计算机组成的层次结构来说，计算机的指令有微指令、机器指令和宏指令。
微指令是微程序级的命令，它属于硬件；宏指令是由若干条机器指令组成的软件指令，它属于软件；而机器指令则介于微指令与宏指令之间。
指令系统：一台计算机能直接理解与执行的全部指令的集合称为该机的指令系统，也叫机器语言。
指令系统是进行计算机逻辑设计和编制程序的基本依据。
它直接说明了这台计算机的功能.不同类型CPU的指令系统是不能混用与兼容的，但同一系列的CPU一般升级后指令都有扩充，并可兼容。
复杂指令系统计算机（CISC)和精简指令系统计算机（RISC)5.2指令格式5.2.1 指令的结构指令字：代表指令的一组二进制代码信息；指令长度：指令字中二进制代码的位数；1、典型的指令格式OP A操作码OP——指明操作性质的命令码，提供指令的操作控制信息。
操作对象A——说明操作数存放的地址，有时则就是操作数本身。
第五章 指令系统习题
第五章指令系统一、选择题1、采用直接寻址，操作数在中。
A、主存B、寄存器C、硬盘D、光盘2、为了缩短指令中某个地址段的位数，有效的方法是采取。
A、立即寻址B、变址寻址C、间接寻址D、寄存器寻址3、指令系统采用不同寻址方式的目的是。
A、实现存储程序和程序控制B、缩短指令长度，扩大寻址空间，提高编程灵活性C、可以直接访问外存D、提供扩展操作码的可能，并降低指令译码难度4、假设寄存器R中的数值为200，主存地址为200和300的地址单元中存放的内容分别是300和400，则方式下访问到的操作数为200。
A、直接寻址200B、寄存器间接寻址（R）C、存储器间接寻址（200）D、寄存器寻址R5、输入输出指令的功能是。
A、进行算术运算和逻辑运算B、进行主存和CPU之间的数据传送C、进行I/O设备和CPU之间的数据传送D、改变程序执行的顺序6、下列关于RISC的描述中，不正确的是。
A、只选用简单的，使用频率高的指令，所以采用RISC的CPU的性能较差，不能运行复杂的指令B、指令长度固定，指令格式和寻址方式少C、采用硬布线逻辑，提高指令执行的速度D、采用指令流水线技术，大部分指令都能在一个机器周期中完成。
7、间接寻址是指。
A、指令中直接给出操作数地址B、指令中直接给出操作数C、指令中间接给出操作数D、指令中间接给出操作数的地址8、基址寻址方式中，操作数的有效地址等于。
A、基址寄存器的内容加上形式地址（偏移量）B、变址寄存器的内容加上形式地址（偏移量）C、程序计数器的内容加上形式地址（偏移量）D、堆栈寄存器的内容加上形式地址（偏移量）8．通常指令编码的第一个字段是__ __A.操作B.指令C.操作码D.控制码9．堆栈常用于 _A.程序转移B.输入输出C.数据移位D.保护程序现场10.在堆栈中保持不变的是_ _A.栈指针B.栈底C.栈顶D.栈中数据11．设寄存器R=1000，地址1000处的值为2000，2000处为3000，PC的值为4000，用相对寻址方式，-2000（PC）的操作数是__ __A．4000 B．3000C．5000 D．700012．直接转移指令的功能是将指令中的地址代码送入__ __A．PC B．累加器C．存储器 D．地址寄存器13．以下的 D 不能支持数值处理。
第 5 章 指令系统
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• 一地址指令长度短，指令执行速度快 （若A为存储器地址，只需一次访存取 数），对于字长较短的微、小型机，是 一种常用的指令格式。
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5．零地址指令
• 零地址指令中只有操作码而无地址码，其指令 格式为； OP
• 零地址指令有两种情况： • ① 不需操作数的控制型指令，如HALT、WAIT、 NOP等。 • ② 运算型零地址指令：操作数隐含在堆栈中。
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• 三地址指令格式：
OP A1 A2 A3
• • • • •
A1：第一源操作数的存储器地址或寄存器地址； A2：第二源操作数的存储器地址或寄存器地址； A3：存放操作结果的存储器地址或寄存器地址； 三地址指令功能为： (A1)OP(A2)→A3； PC 指示下条指令地址
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2) 变长编码
• 变长编码的指令操作码：不同指令的操作码长度 不完全相同，操作码的位数不固定，分散地放在 指令字的不同位置上。 • 变长编码操作码的特点： • 可用较短的指令字长表示更多的操作类型，寻址 较大的存储空间。 • 操作码的位数不固定，且位置分散，增加了指令 译码与分析的难度，使硬件设计复杂化。 • 在早期的微、小型机中，由于指令字较短，均采 用变长编码的指令操作码。如Intel 8086、PDP一 11等机器。
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0000 xxxx xxxx xxxx 15条三地址指令 1110 xxxx xxxx xxxx 1111 0000 xxxx xxxx 15条二地址指令 1111 1110 xxxx xxxx 1111 1111 0000 xxxx 15条单地址指令 1111 1111 1110 xxxx 1111 1111 1111 0000 16条零地址指令 1111 1111 1111 1111 2013-11-23 33
指令系统
然而，指令结构太复杂也会带来一些不利的 因素，如设计周期长，正确性难以保证且不 易维护等；此外，实验证明，在如此庞大的 指令系统中，只有诸如算术、逻辑运算、数 据传送、转移和子程序调用等几十条最基本 的指令才是经常使用的，而需要大量硬件支 持的大多数较复杂的指令却利用率很低，造 成硬件资源的极大浪费。为了解决这个问题， 在70年代末人们提出了便于VLSI实现的精简 指令系统计算机，简称RISC(见5.7节)。
指令的长度与机器的字长没有固定的关系， 它既可以小于或等于机器的字长，也可以大 于机器的字长。前者称为短格式指令，后者 称为长格式指令，一条指令存放在地址连续 的存储单元中。在同一台计算机中可能既有 短格式指令又有长格式指令，但通常是把最 常用的指令(如算术逻辑运算指令、数据传送 指令)设计成短格式指令，以便节省存储空间 和提高指令的执行速度。
5.2.2 术
指令操作码的扩展技
指令操作码的长度决定了指令系统中完成不同操作 的指令条数。若某机器的操作码长度为K位，则它最 多只能有2k条不同指令。指令操作码通常有两种编码 格式，一种是固定格式，即操作码的长度固定，且 集中放在指令字的一个字段中。这种格式对于简化 硬件设计，减少指令译码时间非常有利，在字长较 长的大、中型机和超级小型机以及RISC上广泛采用。 另一种是可变格式，即操作码的长度可变，且分散 地放在指令字的不同字段中。这种格式能够有效地 压缩程序中操作码的平均长度，在字长较短的微码长度的选择
指令 概率Pi(%) 操作码 操作码长度 (位 ) 2 2 2 4 4 4 4
I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7
45 28 17 5 3 1 1
00 01 10 1100 1101 1110 1111
《计算机组成原理》5-指令系统
◆ CPU中设置程序计数器（PC）对指令的顺序号进行计 数。PC开始时存 放程序的首地址，每执行一条指令，PC 加”1”，指出下条指令的地址， 直到程序结束。
跳跃寻址 Leabharlann 转移指令指出AA22AA33
…
…
…
…
1111 1110 A2 A3
12 位操作码
1111 1111 0000 1111 1111 0001
AA33
…
…
…
…
1111 1111 1110 A3
16 位操作码
…
…
1111 1111 1111 0000 1111 1111 1111 0001 1111 1111 1111 1111
24
双字
28
双字（地址32）▲
32
双字
36
边界未对准
地址（十进制）
字( 地址2)
半字( 地址0)
0
字节( 地址7) 字节( 地址6)
字( 地址4)
4
半字( 地址10)
半字( 地址8)
8
5.2.2 数据类型
2、数据在计算机中存放方式
存储字长内部字节的次序
例： 12345678H如何存储？ 12 34 56 78H
5.3.1指令寻址
指令寻址----计算指令有效地址的方法
指令地址
指令
指令地址寻址方式
PC +1
0 LDA
11 ADD 22 DEC 33 JMP
4 LDA
5 SUB 6 INC
77 STA 88 LDA
计算机组成原理指令系统
…
Ri 操作数
Rn 寄存器
• 执行阶段不访存，只访问寄存器，执行速度快 • 寄存器个数有限，可缩短指令字长
6. 寄存器间接寻址
EA = ( Ri )
寻址特征
OP
Ri
指令中的形式地址为寄存器的编 号，寄存器的内容是操作数的有 效地址。
主存
R0
…
…
Ri 地址
操作数
…
…
MOV AX , [BX]
Rn 寄存器
PC
7. 基址寻址
(1) 采用专用基址寄存器（隐式）
EA = ( BR ) + A
BR 为基址寄存器
寻址特征
OP
A
主存
BR
ALU
操作数
• 可扩大寻址范围 • BR 内容由操作系统或管理程序确定 • 在程序的执行过程中 BR 内容不变，形式地址 A 可变
(2) 采用通用寄存器作基址寄存器（显式）
寻址特征
(1) 寄存器寻址 R (2)寄存器间接寻址 (R)
(3)直接寻址 1000 (4)存储器间接寻址 (1000)
(5)相对寻址-2000(PC) (6)立即数寻址 #2000
解: (1) Data=( R)=1000 (2) Data=( ( R) )=(1000)=2000 (3) Data=(1000)=2000 (4) Data=((1000))=(2000)=3000 (5) EA=(PC)-2000=4000-2000=2000
(1) 相对寻址举例
LDA # 0
LDX # 0
M
ADD X, D
M+1 INX
M+2 M+3
CPX # N BNE M DIV # N
指令寻址方式
第五章 指令系统
5.1 基本概念 5.2 指令格式 5.3 寻址方式 5.4 指令的种类 5.5 指令系统的发展 教学重点和难点 • 寻址方式
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第五章 指令系统
CS&T Information Co址码寻找指令中操作数形式地址的方式。
操作数的三种存放方式： 直接包含在指令中 立即数： 立即数寻址 包含在某个寄存器中 寄存器操作数：寄存器寻址 在内存中 存储器操作数（内存操作数）：存储器寻址
这种寻址常常在CPU内部传送数据，该指令操作时不访问 主存。速度快。
寄存器寻址
2006
第五章 指令系统
CS&T Information Course
5.3 寻址方式
三、存储器寻址
2006
第五章 指令系统
CS&T Information Course
5.3 寻址方式
1、直接寻址
数据总是在存储器中，存储单元的有效地址由指令给出。 这是访问主存中操作数的最简单的方式。
直接寻址
2006
第五章 指令系统
CS&T Information Course
5.3 寻址方式
2、寄存器间接寻址
操作数存储器中，存储单元的有效地址由指令指定的寄存器 给 出。 特点：指令字长有效缩短，这时地址长度取决于CPU内通用寄 存器的数量，而可访问的存储空间取决于寄存器的字长。
寄存器间接寻址
2006
CS&T Information Course
第五章 指令系统
5.1 基本概念 5.2 指令格式 5.3 寻址方式 5.4 指令的种类 5.5 指令系统的发展
2006
CS&T Information Course
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计算机组成原理第五章指令系统5.2 寻址方式及指令寻址
1寻址方式的概念
根据冯诺依曼计算机的工作原理，需要根据物理地址从内存中去取指令和数据。
如何获得指令和数据的物理地址？！
寻址方式
寻找指令和操作数有效地址的方法
2指令的寻址方式
■计算指令有效地址的方法；
■指令的寻址方式只有两种
◆顺序寻址
◆跳跃寻址
2指令的寻址方式
■指令的顺序寻址
◆程序的指令序列在主存顺序存放。
执行时从第一条指令开始(!)，逐
条取出并逐条执行，这种程序的顺序执行过程，称为顺序寻址方式。
◆CPU中设置程序计数器（PC）对指令的顺序号进行计数。
PC开始时存
放程序的首地址，每执行一条指令，PC 加”1”，指出下条指令的地址，
直到程序结束。
2指令的寻址方式
■指令的顺序寻址
100Inc AX add ax,bx PC +1100101内存101OP
M S R S M d R d
IR Mem[pc++]需要深刻理解“+1”存储1条指令占用的字节单元数
与存储字长有关！
■指令的跳跃寻址IR
100JMP 103MOV AX,BX PC
内存100
101
102
103
+1JMP 103指令寄存器IR MOV AX,BX 101103104PC IR(A)2指令的寻址方式。