计算机组成原理指令系统
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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
《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.
计算机组成原理-指令系统
一地址指令格式： OP10扩bi展t 6bit A 6bit 设为Z 剩余(24-X)26-Z
零地址指令格式： OP16bit ∴Z= (24-X)26- Y 2-6
扩展6bit Y种 ((24-X)26-Z) 26=Y
操作码扩展技术
鲁东大学 LUDONG UNIVERSITY
EX2.机器指令长度为16位，地址码长度为6位，包含单地址 指令，双地址指令和无地址指令，试问单地址指令最多有 多少条？此时双地址指令和无地址指令各多少条？
鲁东大学 LUDONG UNIVERSITY
强调:操作码扩展技术思考方向
EX2:假设指令字长16位，操作数的地址码为必6须位是，操指作令码有增零长地方址向、
一地址、二地址三种格式。要求：
(1) 设操作码固定，若零地址有P种，一地址指令有Q种，则二 地址最多有多少对种定？长操作码指令格式，应满足最长地址码要求
指令格式-操作码字段
变长操作码指令系统 鲁东大学 LUDONG UNIVERSITY
--随着地址码长度的变化，操作码长度变化 --特点：与定长刚好相反
常用技术： 操作码扩展技术★
OP 4b A1 A2 A3
三地址指令格式
0000 … 1110
三地址指令15条
OP 4b A1 A2
1111 0…000 1110
用于零地址指令扩展的编码最少为1个
指令格式-地址码字段
鲁东大学 LUDONG UNIVERSITY
2.指令的一般格式
分析指令地址码类型
地址码
OP A1 A2 A3 A4
作用：用于指明操作数的地址； ① 四地址指令 ② 三地址指令 ③ 二地址指令 ④ 一地址指令 ⑤ 零地址指令
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。
《计算机组成原理》5-指令系统
◆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。
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
◆ 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
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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
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早期计算机的指令系统
以简单指令为主，操作码短，地址码少，寻址方 式简单。
现代计算机的指令系统
以复杂指令为主，操作码长，地址码多，寻址方 式多样化。
3
未来计算机的指令系统
随着技术的发展，指令系统将更加智能化、自动 化和个性化。
02
指令的格式与寻址方式
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
指令的格式
操作码字段
表示指令的操作类型，如加、减、乘、除等。
提高指令执行速度
优化操作码与地址码的设计，可以减少指令的解码 时间，从而提高指令的执行速度。
支持更多的操作和寻址方 式
通过扩展操作码和优化地址码的设计，可以 支持更多的操作和寻址方式，从而增强指令 系统的功能和灵活性。
04
指令系统的功能与性能分析
指令系统的功能分析
指令集架构
定义了计算机的基本操作和功能，包括数据类型、 操作码、寻址方式等。
指令执行单元
指令执行单元是计算机硬件的核心组件之一，负责执行解码后的指令。它包括算术逻辑单元 （ALU）、控制单元（CU）和寄存器文件等组件。
指令系统的软件实现技术
汇编语言
汇编语言是一种低级语言，与机器语言相对应。它使用助记符表示指令，方便程序员编写底层程 序。汇编语言编译器将汇编语言程序转换成机器语言程序。
能技术的发展，指令系统将更加注重智能优化能力，以提高程序的执行
效率和准确性。
06
指令系统实例分析
x86指令系统实例
指令集特点
x86指令系统是复杂指令集计算机（CISC）的代表，指令数量庞大， 寻址方式多样，支持多种数据类型和操作。
指令格式
x86指令格式多样，包括单字节、双字节和多字节指令，以及可变 长度的指令。
计算机组成原理_指令系统
第四章 指令系统
4.1 指令系统的发展与性能要求 4.2 指令格式与 4.3 操作数类型 4.4 指令和数据的寻址方式 4.5 典型指令
返回
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4.1 指令系统的发展与性能要求
1、指令在计算机系统中的地位 （1）是软件和硬件分界面的一个主要标志
– 硬件设计人员采用各种手段实现它；
– 软件设计人员则利Βιβλιοθήκη 它编制各种各样的系统软 件和应用软件
– 指令系统是表征一台计算机性能的重要因素，它的格式 与功能不仅直接影响到机器的硬件结构，而且也直接影
3
4.1 指令系统的发展与性能要求
3、发展情况 – 复杂指令系统计算机，简称CISC。但是如 此庞大的指令系统不但使计算机的研制 周期变长，难以保证正确性，不易调试 维护，而且由于采用了大量使用频率很 低的复杂指令而造成硬件资源浪费。 – 精简指令系统计算机：简称RISC，人们又 提出了便于VLSI技术实现的精简指令系统 计算机。
• Pentium数据类型(见P111表4.4)
– 常规数据类型 – 整数数据类型 – ……..
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4.4 指令和数据的寻址方式
• 研究问题
– 确定本条指令中各操作数的地址 – 下一条指令的地址
• 寻址方式是指CPU根据指令中给出的地址码 字段寻找相应的操作数的方式，它与计算 机硬件结构紧密相关，而且对指令的格式 和功能有很大的影响。
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2、立即寻址
• 特点：在取指令时，操作码和操作数被同时取出， 不必再次访问存储器，从而提高了指令的执行速 度。 • 但是，因为操作数是指令的一部分，不能被修改； • 而且对于定 长指令格式，操作数的大小将受到指 令长度的限制，所以这种寻址方式灵活性最差 • 通常用于给某一寄存器或主存单元赋初值，或者 用于提供一个常数。
4.1 指令系统的发展与性能要求 4.2 指令格式与 4.3 操作数类型 4.4 指令和数据的寻址方式 4.5 典型指令
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4.1 指令系统的发展与性能要求
1、指令在计算机系统中的地位 （1）是软件和硬件分界面的一个主要标志
– 硬件设计人员采用各种手段实现它；
– 软件设计人员则利Βιβλιοθήκη 它编制各种各样的系统软 件和应用软件
– 指令系统是表征一台计算机性能的重要因素，它的格式 与功能不仅直接影响到机器的硬件结构，而且也直接影
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4.1 指令系统的发展与性能要求
3、发展情况 – 复杂指令系统计算机，简称CISC。但是如 此庞大的指令系统不但使计算机的研制 周期变长，难以保证正确性，不易调试 维护，而且由于采用了大量使用频率很 低的复杂指令而造成硬件资源浪费。 – 精简指令系统计算机：简称RISC，人们又 提出了便于VLSI技术实现的精简指令系统 计算机。
• Pentium数据类型(见P111表4.4)
– 常规数据类型 – 整数数据类型 – ……..
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4.4 指令和数据的寻址方式
• 研究问题
– 确定本条指令中各操作数的地址 – 下一条指令的地址
• 寻址方式是指CPU根据指令中给出的地址码 字段寻找相应的操作数的方式，它与计算 机硬件结构紧密相关，而且对指令的格式 和功能有很大的影响。
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2、立即寻址
• 特点：在取指令时，操作码和操作数被同时取出， 不必再次访问存储器，从而提高了指令的执行速 度。 • 但是，因为操作数是指令的一部分，不能被修改； • 而且对于定 长指令格式，操作数的大小将受到指 令长度的限制，所以这种寻址方式灵活性最差 • 通常用于给某一寄存器或主存单元赋初值，或者 用于提供一个常数。
计算机组成原理期末复习
《计算机组成原理》1．指令、指令系统、虚拟存储器、Cache的地址映像、微命令、微指令、输入设备、输出设备、中断系统、中断隐指令、光盘、指令周期、机器周期、节拍的定义指令：指令是指计算机执行某些操作的命令。
指令系统：一台计算机所有指令的集合。
虚拟存储器：将主存储器和辅助存储器的地址空间统一编址，在硬件和系统软件的共同管理下，可以把它们看成一个单一的存储器。
cache的地址映像：在cache中，地址映像是指把主存地址空间映像到cache地址空间，也就是把存放在主存中的程序按照某种规则装入cache中，地址映像有3种方法全相联映像，直接映像，组相联映像微命令：在微程序控制的计算机中，将控制部件向执行部件发出的各种控制命令叫做微命令。
微指令：指控制存储器中的一个单元的内容，即控制字，是若干个微命令的集合。
输入设备：向计算机输入信息的外部设备称为输入设备。
输出设备：接受计算机输出信息的外部设备称为输出设备。
中断系统：是计算机实现中断功能的软、硬件总称。
中断隐指令：CPU响应中断后，经过某些操作，转去执行中断服务程序。
这些操作是由硬件直接实现的。
光盘：用光学方式读写信息的圆盘称为光盘。
指令周期：CPU每取出一条指令并执行这条指令，都要完成一系列的操作，所需要的时间通常叫做一个指令周期。
机器周期：在计算机中，为了便于管理，常把一条指令的执行过程划分为若干个阶段，每一阶段完成一个基本操作。
完成一个基本操作所需要的时间称为机器周期。
节拍：在一个机器周期内，要完成若干个微操作。
这些微操作有的时候可以同时执行，有的需要按先后次序串行执行。
因而应把一个机器周期分为若干个相等的时间段，每一个时间段对应一个电位信号，称为节拍电位信号。
2．冯·诺依曼等人提出的存储程序概念（教材P2，共3点）。
1)计算机应由运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备5大基本不见组成；2)计算机内部采用二进制来表示指令和数据；3)将编好的程序和原始数据事先存入存储器中，然后再启动计算机工作，这就是存储器程序的基本含义。
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高级语言与低级语言的性能比较
4.2 指令格式
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式，由 操作码字段和地址码字段组成。
操作码字段பைடு நூலகம்地址码字段
4.2.1
操作码
操作码字段表征指令的操作特性与功能；
操作码字段的位数取决于指令系统的规模，有固定位 数和可变位数；
Ａ1 Ａ1
Ａ2
Ａ3 Ａ2
Ａ1
三地址指令
指令格式如下： θ A1 A2 A3 结果
操作码θ 第一操作数A1 第二操作数A2 A3
(A1)θ(A2)→A3 (PC) +1→PC 这种格式虽然省去了一个地址，但指令长度仍比 较长，所以只在字长较长的大、中型机中使用， 而小型、微型机中很少使用。
3. 指令系统：一台计算机中所有机器指令 的集合，它是表征一台计算机性能的重 要因素，其格式与功能不仅直接影响到 机器的硬件结构也直接影响到系统软件， 影响到机器的适用范围。
下面我们来看一下计算机指令系统的发展过程
50年代：指令系统只有定点加减、逻辑运算、
数据传送、转移等十几至几十条指令。 60年代后期：增加了乘除运算、浮点运算、十 进制运算、字符串处理等指令，指令数目多达 一二百条，寻址方式也趋多样化。 60年代后期开始出现系列计算机
等长（指令规整，译码简单） 例如IBM 370机，该机字长32位，16个通用寄 存器R0～R15 ，共有183条指令；指令的长 度可以分为16位、32位和48位等几种，所有指 令的操作码都是8位固定长度。 固定长度编码的主要缺点是：信息的冗余极大， 使程序的总长度增加。
4.2.2 地址码
若操作码字段的位数固定为n位，则指令系统最多可表 示2n条指令。
指令系统的每一条指令都有一个操作码，它表示该指令应进行 什么性质的操作。 不同的指令用操作码字段的不同编码来表示，每一种编码代表 一种指令。 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。 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位操作码。 对于一个机器的指令系统，在指令字中操作码字段和地址码字 段长度通常是固定的。 在单片机中，由于指令字较短，为了充分利用指令字长度，指 令字的操作码字段和地址码字段是不固定的，即不同类型的指令有 不同的划分，以便尽可能用较短的指令字长来表示越来越多的操作 种类，并在越来越大的存储空间中寻址。
4.1 指令系统的发展与性能要求
3、发展情况 复杂指令系统计算机，简称CISC。但 是如此庞大的指令系统不但使计算机 的研制周期变长，难以保证正确性， 不易调试维护，而且由于采用了大量 使用频率很低的复杂指令而造成硬件 资源浪费。 精简指令系统计算机：简称RISC，人 们又提出了便于VLSI技术实现的精简 指令系统计算机。
系列计算机是指节本指令系统相同、基本体系结构相
同的一系列计算机。其必要条件是同一系列的各机种 有共同的指令集．而且新推出的机种指令系统一定包 含所有旧机种的全部指令，即实现一个“向上兼容”。 因此旧机种上运行的各种软件可以不加任何修改便可 在新机种上运行，大大减少了软件开发费用。系列机 解决了各机种的软件兼容问题
二、地址码
二地址指令
4.1.3 低级语言与硬件结构的关系
计算机语言具有高级语言和低级语言之分。
高级语言如C，FORTRAN等，其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（二进制语言）和汇编语言（符号语言）， 这两种语言都是面向机器的语言，和具体机器的指令系统密切相关。 机器语言用指令代码编写程序，而符号语言用指令助记符来编写程 序。 高级语言与低级语言的性能比较
4.1.2 对指令系统性能的要求
一个完善的指令系统应满足如下四方面的要求：
1. 完备性 用汇编语言编写各种程序时，指令系统直接提供的指令足够使用， 而不必用软件来实现。完备性要求指令系统丰富、功能齐全、使用方便。 2. 有效性 利用该指令系统所编写的程序能够高效率的运行。高效率主要表现 在程序占据存储空间小、执行速度快。一般来说，一个功能更强、更完善的 指令系统，必定有更好的有效性。 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； 指令格式和数据格式的一致性是指指令长度和数据长度有一定的关系，以方 便处理和存取。 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。
4.1 指令系统的发展与性能要求
指令在计算机系统中的地位 （1）是软件和硬件分界面的一个主要标志
硬件设计人员采用各种手段实现它； 软件设计人员则利用它编制各种各样的系统 软件和应用软件
（2）是硬件设计人员和软件设计人员之间 的分界面，也是他们之间沟通的桥梁。
4.1 指令系统的发展和性能要求
4.1.1 指令系统的发展 1. 计算机的程序：是解决某一实际问题的指令序列； 2. 指令：就是要计算机执行某种操作的命令。 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 令和宏指令之分。 微指令：微程序级的命令，它属于硬件； 宏指令：由若干条机器指令组成的软件指令，它属于软件； 机器指令（指令）：介于微指令与宏指令之间，每条指令可完成 一个独立的算术运算或逻辑运算。
地址码字段通常指定参与操作的操作数的地址或操作数本身。 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。 一般的操作数有被操作数、操作数及操作结果这三种数，因而 就形成了三地址指令格式。在此基础上，后来又发展成二地址格式 、一地址格式和零地址格式
操作码 操作码 操作码 操作码