6-1指令系统的基本概念

指令系统：一台计算机的所有指令的集合，是软件 和硬件的主要界面。
• 程序员所能看到的机器的主要属性 • 表明计算机具有哪些最基本的硬件功能
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完善的指令系统应具备的特征
完备性
• 指令功能齐全、足够使用
高效性
• 所编写的程序占据存储空间小、执行速度快
规整性
• 对称性：所有的寄存器和存储单元都可同等对待，所有的 指令都可使用各种寻址方式 • 匀齐性：可以支持各种数据类型 • 指令的格式和数据格式的一致性
• 15条3地址指令，15条2地址指令，15条1地址指令，16条零地址指令
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指令的类型
数据传送类指令
• 用于实现通用寄存器之间、通 用寄存器与存储单元之间、存储 器不同单元之间的数据传送
程序控制类指令
• 转移类指令 • 子程序调用与返回指令 • 循环控制指令
运算类指令
• 算术运算 • 逻辑运算
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指令中操作码格式
定长操作码，变长指令字
• 操作码的长度固定，且集中放在指令字的一个字段中
操作码长度n位与操作种类N种之间的关系： N≤2n
• 指令的长度随操作数的个数而变化。 • 操作码规整，有利于简化操作码译码器的设计
但字段的位使用率不高
• 在字长较长的计算机以及RISC上广泛使用，如IBM370机、 VAX-11
指令中地址码格式
零地址指令
OP 这种指令有两种可能： • 指令不需要操作数，如停机指令(HALT)、空操作指令(NOP) 等。 • 所需的操作数是默认的，如默认在堆栈中。
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地址码个数
对存储空间占用、程序执行效率的影响
• 地址码个数越少，指令本身占用的存储单元少，取指令时间 短； • 但是，完成同样的功能，编程所用的指令条数就越多，程序 执行的时间就越长，并且整体上所占用的存储空间也不一定 小。
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指令中地址码格式
二地址指令
OP A2 A1
指令完成的操作：（A1）OP（A2）—>A1（或A2） （PC）+1—>PC 保存结果的操作数称为目的操作数地址Ad，另一个操 作数称为源操作数地址As。
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指令中的地址码格式
一地址指令格式
OP A1
•只有一个操作数，比如求补，求反等操作。 OP(A1) →A1，(PC)+1—>PC •需要两个操作数，但另一个操作数 “隐含”于累加器Acc中 •累加器Acc既是源操作数，也是目标操作数 (Acc) OP (A1) → Acc，(PC)+1—>PC •累加器（Accumulator）结构易造成性能瓶颈 •一般用在某些字长较短的微型机中（如早期的Z80、 Intel 8080等） 11
四地址指令
OP A4 A3 A2 A1
• 指令完成的操作：（A1）OP（A2）—>A3 A4=下一条将要执行指令的地址 • 直观但指令的长度太长
目标：大的地址范围，短的地址码长度
• 缩减地址码长度的措施：用PC指明后继指令地址
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指令中地址码格式
三地址指令
OP A3 A2 A1
程序计数器PC（Program Counter）存放将要执行的指 令地址 指令完成的操作：（A1）OP（A2）—>A3 （PC）+1—>PC
输入输出（I/O）类指令
• 输入输出类指令完成主机与外 围设备间的数据传送
移位类指令
• 按移位方向：左移和右移； • 按移位方式：算术移位、逻辑 移位和循环移位；
其他指令
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指令中操作码格式
变长操作码，定长指令字
• 采用扩展操作码的方式，即操作码位数随地址码数量的减少 而增加。 • 有效利用指令字长
在字长较短的微型机上广泛使用
例
某机器的指令长度是16位，包括4位基本操作码字段和3个4 位地址码字段，其格式如下： OP (4位) A3 (4位) A2 (4位) A1 (4位) 试给出一种扩展操作码的方案 。 17
兼容性
• 系列机各种机型具有相同的基本结构和共同的基本指令集 5
指令的格式 指令的基本格式：
操作码字段 OP 地址码字段 A
OP用于说明该指令操作的性质及功能; A地址码用来给出被操作对象的信息。包括参加运算的 操作数或操作数的地址、运算结果的保存地址及下一条 指令的地址等
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指令字长
D15
D12
D11
D8
D7
D4
D3
D0
OP
3地址指令 2地址指令 0000~1110 1111
A3
地址码3 0000~1110
A2
地址码2 地址码2
A1
地址码1 地址码1
1地址指令
0地址指令
Байду номын сангаас
1111
1111
1111
1111
0000~1110
1111
地址码1
0000~1111
该机器指令系统可以有61条指令
指令字长
• 一条指令中包含二进制代码的位数 • 取决于操作码的长度、操作数的地址的长度和操作数地址 的个数 • 指令的长度有固定的，也有不固定的。为了充分利用存储 空间，指令的长度通常为存储器字长的整数倍。 指令字长＝操作码的长度＋地址码的长度
决定指令系 统的规模
决定寻址空 间的大小
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指令中地址码格式
第六章 指令系统 及汇编语言程序设计
不以规矩 不成方圆
本章内容
6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 指令系统的基本概念 寻址方式 RISC技术 指令系统举例 汇编语言程序设计
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6.1 指令系统的基本概念
基本概念
程序：由一系列有序的指令构成。 指令：执行某种基本操作的命令。
• 由一组二进制代码表示，指示计算机硬件完成指定的基本操 作