指令系统设计
指令系统的组成
指令系统的组成一、指令系统的概述指令系统是计算机硬件与软件之间的桥梁，用于指导计算机执行任务。
它由一系列指令组成，这些指令是计算机能够理解和执行的基本操作。
指令系统是计算机体系结构的重要组成部分，直接影响计算机的性能和功能。
二、指令的分类指令可以根据其功能和操作类型进行分类。
1. 数据传输指令数据传输指令用于将数据从一个地方传送到另一个地方。
它们可以从内存读取数据到寄存器，也可以将数据从寄存器写入内存。
数据传输指令是计算机中最基本和最常用的指令之一。
2. 算术运算指令算术运算指令用于执行各种数学运算，如加法、减法、乘法和除法。
这些指令可以对寄存器或内存中的数据进行运算，并将结果存储在指定的位置。
3. 逻辑运算指令逻辑运算指令用于执行逻辑运算，如与、或、非和异或。
它们通常用于比较和判断操作，根据运算结果来决定程序的流程。
控制指令用于控制程序的执行流程，如跳转、分支和循环。
它们可以改变程序的执行顺序，使程序能够根据条件进行不同的操作。
5. 输入输出指令输入输出指令用于与外部设备进行数据交换，如键盘、鼠标、显示器和打印机。
它们负责将数据从外部设备读取到内存或将数据从内存输出到外部设备。
三、指令的格式指令通常由操作码和操作数组成。
1. 操作码操作码是指令的基本操作类型，用于指示计算机执行何种操作。
操作码的种类与计算机的指令集有关，不同的计算机体系结构可能有不同的操作码。
2. 操作数操作数是指令所操作的数据。
它可以是一个立即数，也可以是一个寄存器或内存地址。
指令根据操作数的类型和个数来确定操作的对象和结果。
四、指令的执行过程指令的执行过程通常包括指令获取、指令解码和指令执行三个阶段。
指令获取是指从内存中获取指令的过程。
计算机通过程序计数器(PC)来确定下一条要执行的指令的地址，并将该地址发送给内存控制器，从而获取指令的二进制表示。
2. 指令解码指令解码是指将获取的指令解析成可执行的操作。
计算机根据指令的操作码来确定具体的操作类型，并根据操作数的类型和个数来确定操作的对象和结果。
第3章 8086的指令系统—3.1寻址方式
例:(BX)=2000H，(SI)=1000H，偏移量=0250H,
则EA= 2000H+1000H+0250H=3250H
寻址目的
确定本条指令的操作数据 在指令中 PA:存储器内的绝对地址（20位） 在存储器中 EA:某个段内的相对地址（16位） 在寄存器中 确定下一条指令的地址 根据指令长度计算 根据转移指令的目标地址
寄存器名表示其内容（操作数）
MOV AX, BX
MOV AL, BH
；AX←BX
；AL←BH
演示
第3章： 3.1.3 存储器寻址方式
操作数在主存储器中，用主存地址表示 程序设计时，8088采用逻辑地址表示主存地址
段地址在默认的或用段超越前缀指定的段寄存器中 指令中只需给出操作数的偏移地址（有效地址EA）
演示
；AX←DS:[SI+06H]
第3章：4. 基址加变址寻址方式
有效地址由基址寄存器（BX或BP）的内容加上 变址寄存器（SI或DI）的内容构成： 有效地址＝BX/BP＋SI/DI 段地址对应BX基址寄存器默认是DS，对应BP基 址寄存器默认是SS；可用段超越前缀改变
MOV AX, [BX+SI] MOV AX, [BX][SI]
*微型计算机汇编语言特点 *微型计算机指令系统概述 *寻址方式
指令及其格式
指令及指令集 计算机能够识别和执行的基本操作命令
指令的作用
告诉CPU干什么？What? 告诉CPU从哪儿取数据？Where? 告诉CPU下一条指令在哪儿？Where? 操作码 操作数或操作数地址 指令的格式
3 指令系统
按指令执行时间分类：
单机器周期指令（64条）、双机器周期指令（45条） 和四机器周期指令（2条）
按功能分类
数据传送指令（29条）、算术操作指令（24条）、逻 辑操作指令（24条）、控制转移指令（17条）和位操 作指令（17条）
指令系统概述
AB ROM地址 指令 机器码 0000H LJMP 0100H ; 02H,01H,00H …… 0100H MOV A,#63H; 74H,63H 0102H ADD A,#20H; 24H,20H……
MCS-51存储器
片内RAM：
数据缓冲区：内 RAM中 工作寄存器区：有专用于工 从广义上讲， MCS-51 内RAM 作寄存器操作的指令，读写 30H ～7FH为数据缓冲区，用 （00~07H ）和SFR（80~FFH） 速度比一般内 RAM 要快，指 于存放各种数据和中间结果， 均属于片内RAM 空间，读写 令字节比一般直接寻址指令 起到数据缓冲的作用。 指令均用MOV指令。但为加 要短，还具有间址功能。 以区别，内RAM通常指 00H～7FH的低128B空间。 位寻址区：存放各种位数据。 注意事项: 位地址与字节地址 编址相同，容易混淆。 区分方法:位操作指令中的地 址是位地址;字节操作指令 中的地址是字节地址。
寄存器B
标志寄 存器 PSW
内ROM
20H 20h 24h 24h 63h 63h 74h 74h 00h 00H 01h 01h 02h 02h
指令寄 存器IR
运算逻辑单元ALU 83h 63h+20h=83h
指令译 码器ID
0103H 0102h 0101h 0100h
内RAM 内部 外设 并行 I/O接 口
第 5 章 指令系统
2013-11-23
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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
LEC03_指令系统结构-计算机体系结构(第2版)-胡伟武-清华大学出版社
VAX
简单、定长指令，硬件 完成同一任务指令
简单、每条指令时钟数 数多，定长指令浪
少，主频高
费空间
指令执行周期长，
不用取数直接用，指令 访存操作数在指令
紧凑，空间效率高
中位数多，指令间
相关性较难判断
指令长度变化大，
完成同一任务指令最 执行指令周期变化
少，指令最紧凑
大，访存瓶颈，指
• 例子：不同指令系统完成C=A+B的指令序列， 假设A、B、C在内存中不同的单元
Stack
Push A Push B Add Pop C
Accumulator
Register (registermemory)
Load A
Load R1, A
Add B
Add R1, B
Store C
Store C, R1
• 应用要求指令系统保持兼容
• 更新计算机时，兼容老的应用
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指令系统的分类
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指令系统的分类
• 从功能上分类
• 算术与逻辑运算、转移、访存、系统指令…
• 从指令使用数据的方式
• 堆栈型、累加器型、寄存器型...
• 从指令编码
• 定长、变长
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指令系统的类型
• 堆栈型（Stack）：零地址指令
Register (load-store)
Load R1,A Load R2,B Add R3,R1,R2 Store C R3
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寄存器指令再分类
• 分类标准
• 运算操作中操作数的个数 • 运算操作中存储器操作数的个数
访存个数/操 作数个数
机器例子
优点
80C51虚拟指令执行系统的设计与实现
显 然 。上述 过程是 围绕着 虚拟 指令 执行 器 和
虚 拟存储 器进 行 的。
它将 指令 的执 行过程 分 为取指 令 、分析 指 令和执 行 指令 三个 阶段 ，模 拟 这三个 阶段 的操 作并 虚 拟
出指 令 的执行效 果 。虚拟 存储 系统 是虚 拟指 令执 行系 统必不 可少 的模 块 。它反 映着虚 拟 指令 执行
方法 。
图 ，同时 图１ 显示 了系统 运行 的三个 基本过 程 ： 也
（ １ ）加 载二进 制文件 到虚 拟存储 器 的Ｒ Ｍ中 Ｏ
一一 ～一 一 ～
１ 虚 拟 指 令 执行 系统 简 介
本 文 所述 的８ Ｃ １ 拟 指 令执 行 系 统是 指 用 ０５虚 软件 来 模 拟 ８ Ｃ １ 令 的执 行 过 程 和 执 行 效 果 ， ０ ５指
码 ，然 后将其 写入 目标 机 中运行 ，这 种开 发方 法 的一个 缺点是 不易 调试 生成 的 目标 代码 逻辑 ．因 此 ， 目前许 多交叉 编译工 具都 具有 在 宿主机 上 调 试 源代码 的功 能 。要 让 目标机平 台的二 进制 代码 能够 在宿 主机上 运行 。必 须提供 一个 虚 拟 的能够 执行 目标 机 指令 的系 统 。本 文 以８ Ｃ １ 片机 为 ０ ５单 目标 机 ，基 于Ｘ８ 平 台的Ｐ 机 为宿 主机 ，给 出 了 ６ Ｃ
张 百 成
（ 息产 业部 电子 第六研 究所 ，北京 １０ ８ ） 信 ００ ３ 摘 要 ：文 中以８ Ｃ １ ０ ５ 的体 系结构 和指 令 系统 为基 础 ．设 计并 实现 了虚 拟 ８ Ｃ ｌ 令 执 行 系 ０５指
统 ， 包 括 虚 拟 指 令 执 行 器 和 虚 拟 存 储 器 。 这 种 设 计 方 法 适 用 于 存 储 空 间和 指 令 规 模 与 ８ Ｃ １ ０ ５
计算机组成原理_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
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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。
指令系统
10.页面寻址： 在一些计算机中，存储体被划分成若干区 域，每个区域称为一页，每页中存储单元的个 数由指令中地址码域（页内地址）的位数所决 定，页面地址则存放在一个专门的页面地址寄 存器中。 页面寻址方式与基址、变址寻址方式有所 不同，其有效地址是由页面地址寄存器的内容 和指令中的页内地址拼接而成。
[例]某指令系统，指令字长16位，每个操作数 的地址码长6位，指令分为无操作数、单操 作数和双操作数指令三类。若双操作数指令 有K条，无操作数指令有L条，问单操作数指 令最多有多少条？
在可变长度操作码的指令系统设计中，究竟使用 何种扩展方法为好，指令的使用频度是非常重要的 依据。即频度高的指令应分配短的操作码，频度低 的指令则分配较长的操作码。 优点：既可有效地缩短操作码在程序中的平均长 度，节省存储空间，又可缩短常用指令的译码时间 以提高程序的运行速度。 缺点：是译码系统比固定操作码复杂，增加了设 计控制器的难度，需要更多的硬件作支持。
5.3.2 操作数的寻址方式
定义： 操作数的寻址就是寻找操作数的地址，其 目的是寻找所需要的操作数。寻址方式就是指 寻找操作数地址所用的方法。
图5-6 一种单地址指令的一般结构
1.隐含寻址： 指令中不明显地给出操作数的地址，其操 作数或操作数的地址隐含在某个专用寄存器或 在某个指定的存储单元中。这种方式可以缩短 指令的长度，在字长较短的微型机或小型机中 被广泛采用。 如： MUL AL MUL BX
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（Reduced Instruction Set Computer），简称RISC。
《指令系统》PPT课件
例：
已知：（DS）=2100H，（DI）=2000H
指令： MOV AX，[DI] ；AX （（DI））
物理地址=（DS）× 16 + （DI）
是一个内存 单元地址
=2100H × 16 + 2000H
=21000H + 2000H
=23000H
指令结果：将23000H单元内容送AL中，
将23001H单元内容送AH中。
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2020/11/14
例：
将数据段的变量WVAR（即该变量名指示的内存单元数据）送至 AX寄存器 变量指示内存的一个数据，直接引用变量名就是采用直接寻址方式 变量应该在数据段进行定义，常用的变量定义伪指令 DB和 DW分别表示定义
字节变量和字变量 变量一经定义便具有逻辑地址和类型属性
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南京理工大学动力学院
2009年
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2020/11/14
第二章 8086/8088 指令系统
2.1 概述 2.2 寻址方式 2.3 数据传送指令 2.4 算术运算指令 2.5 逻辑运算指令 2.6 串操作指令 2.7 程序控制指令
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2020/11/14
•指令是微处理器执行某种操作的命令。 •微处理器全部指令的集合称为指令系统（指令集）
将数据段中由BX指定偏移地址处的内存数据送至 AX寄存器 汇编指令: MOV AX, [BX]； 指令功能：AX←DS : [ BX ]； 该指令中有效地址存放于BX寄存器中，而数据则存放在数据段内存单元中，
假设BX内容设置为2000H，则该指令等同于 MOV AX, [2000H]
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2020/11/14
一方面，会影响处理器执行指令的速度和效率 另一方面，对程序设计也很重要
第3章 MCS-51 的指令系统与汇编语言程序设计1
每条指令在执行时要花去一定的时间，以机器周期为单 位。按指令的执行时间来分： (1) 1个机器周期（12个时钟振荡周期）指令64条 (2) 2个机器周期（24个时钟振荡周期）指令45条 (3) 4个机器周期（48个时钟振荡周期）只有乘、 除两条指令的执行时间。 12MHz晶振:机器周期为1s。 按指令的功能分类，可分为5大类： 数据传送类（29条）；算术运算类（24条） 逻辑运算及移位类（24）；控制转移类（17条） 位操作类（17条）
第3章 MCS-51的指令系统与汇编语言程序设计
【学习目标】 掌握单片机的指令系统，熟悉指令功能、指令格 式以及指令的寻址方式； 理解汇编语言的特点以及与机器语言之间的区别 和联系； 掌握汇编语言程序设计的步骤、汇编语言程序的 结构； 熟练掌握汇编语言应用程序的开发
xuminxm11@ 密码：xuminxm1111
2．汇编语言 4) （4）DB（Define Byte）
汇编结果：（1000H） 汇编结果：（2000H） =25H =25H
页码 P68 P70 P73
章节或标题
（5）DW（Define Word） （4）分配内存单元
原错误
例如， ORG 1000H
更正为
例如， ORG 2000H
分配内存工作单元，确 定层序和数据的真实地 址
; 取高位 ; 两数高位相加 ; 存“和”的高位
【例3.11】 有一数据块存放起始地址为DATA1的片外RAM 区，数据块以“0”为结束标志，要求将其传送到DATA2为 起始地址的片内RAM区。编写程序如下： MOV DPTR, #DATA1 MOV R0，#DATA2 LOOP:MOVX A, @DPTR JZ ENDO MOV @R0，A INC DPTR INC R0 AJMP LOOP ENDO: SJMP $ ;设置片外RAM数据块地址指针 ;设置片内RAM数据块地址指针 ;取数 ;检测是否为0？为0，转ENDO ;不为0，传送 ;修改地址指针
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指令系统设计
2011-5-29
一．操作数类型：
(1)地址：无符号整数
(2)数值数据：
(3)位，位串，字符，和字符串
(4)布尔值
二．寻址方式：指令给出操作数或者操作数地址的方式
地址字段长度直接影响指令长度。使用尽量短的地址码访问尽可能大的寻址空间。
常用寻址方式：
(1) 立即寻址
指令中直接给出操作数
(2) 直接寻址
指令中直接给出操作数的有效地址
OP
操作数地址
(3) 间接寻址
OP
间接地址
有效地址
根据有效地址去内存去取数
(4) 寄存器寻址
OP
寄存器号1(操作数存在于此) 寄存器号2(操作数存在于此)
(5) 寄存器间接寻址
OP
寄存器号(地址存储于此)
内存中的数据
根据寄存器中的地址从内存中取数
(6) 变址寻址(数组)
给出基准地址，变址寄存器I给出偏移量，则有效地址EA=(I)+A;变址寄存器自动进行
变址。
(7) 相对寻址
有效地址位于该指令所在位置的前后某个固定的位置上。指令中的地址码给出偏移地
址，基准地址隐含由PC给出。EA=(PC)+A;
(8) 基址寻址
指令中的地址码A给出偏移量，基址可以由基址寄存器B给出。EA=(B)+A
注：基址寻址与变址寻址的区别：
变址寻址基址不变，偏移量由寄存器给出，寄存器里变得是偏移量；而基址寻址偏移量不变，
基址由寄存器给出，寄存器里变的是基址。
三．操作码编码
1.定长操作码
译码方便，指令执行速度快，但有信息冗余。
2.扩展操作码编码
将操作码的编码长度分成几种固定长度的格式。
基本思想：操作码按短到长进行扩展编码。二地址指令操作码最短，零地址指令操作码最长，
所以，按照二地址---一地址---零地址的顺序进行。
疑惑：这里怎么说？
四．MIPS指令格式和寻址方式
特点：采用32位定长指令字，操作码字段也是固定长度，没有专门的寻址方式字段，由指
令格式确定各操作数的寻址方式。
(1)R—型指令
OP rs rt rd shamt func
操作码OP为“000000”，操作类型由func字段给出，若是双目运算类指令：rd=rs func rt;
移位指令，根据shamt字段给出的移位数，将rt的内容进行移位，结果送至rd。
(2)I—型，立即数型
OP rs rt
立即数
1. 双目运算：rt=[rs]+立即数；
2. Load指令：rt=[[rs]+立即数]
3. Store指令：和上面的过程反过来
(3)J—型
OP
直接地址
无条件跳转指令，内存地址=26位直接地址+PC高四位+最后添两个‘0’
四．CISC和RISC指令系统之间的区别：
1.CISC(复杂指令系统计算机)：变长指令集，扩展操作码编码，指令格式多，指令条数多，
寻址方式多而复杂，因而指令的译码实现复杂，大多由微程序控制器实现。
2.RISC(精简指令系统计算机)：定长指令字，定长操作码，指令格式少，指令系统中含有一
些常用指令，指令条数少，寻址方式少而简单，指令译码实现简单，可用硬连线路控制器实
现。RISC处理器中设置大量的通用寄存器，可以大大减少存储器的访问次数。采用装入/
存储型指令设计风格，因而大部分指令的执行步骤一致，规整，指令的执行适合于采用流水
线方式执行。