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第四章 指令系统

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第四章 指令系统[一]

第四章 指令系统[一]

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4：16译码器 ： 译码器
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…
15条三地址指令 15条三地址指令
…
14条二地址指令 14条二地址指令
…
31条一地址指令 31条一地址指令
…
16条零地址指令 16条零地址指令
图4.1 指令译码逻辑图
•
注意事项: 注意事项: • 短操作码不能与长操作码 的前面代码部分相同； 的前面代码部分相同； • 各指令的操作码一定不能重复,而且各类指令的 各指令的操作码一定不能重复, 格式安排应统一规整. 格式安排应统一规整.
例1(P151.题2):假设某计算机指令长度为20位,具有双操作 1(P151.题2):假设某计算机指令长度为20位 假设某计算机指令长度为20 单操作数、无操作数三类指令形式, 数、单操作数、无操作数三类指令形式,每个操作数地址 规定用6位表示, 规定用6位表示,问： 若操作码字段固定为8 现设计出m条双操作数指令,n 若操作码字段固定为8位,现设计出m条双操作数指令,n 固定为 条无操作数指令,在此情况下, 条无操作数指令,在此情况下,这台计算机最多可以设计出 多少条单操作数指令？ 多少条单操作数指令？ 解 ： 2 8 - m - n条
(1) 三个容易混淆的基本概念
• 指令字长:一条指令中包含二进制代码的位数. 指令字长:一条指令中包含二进制代码的位数. • 存储字长:存储单元中二进制数的位数. 存储字长:存储单元中二进制数的位数. • 机器字长:计算机能直接处理的二进制数据的 机器字长: 位数,通常与主存单元的位数一致. 位数,通常与主存单元的位数一致.
例:设某机器的指令字长为16位,包括基本操作码4位 设某机器的指令字长为16位 包括基本操作码4 16 和三个地址字段,每个地址字段长4 其格式为: 和三个地址字段,每个地址字段长4位,其格式为: 15 12 11 A1 OP 8 7 A2 4 3 A3 0

第4章 指令系统和寻址方式

第4章 指令系统和寻址方式
操作码 MOD REG R/M* DISP-L DISP-H DATA-L DATA-H
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第4章 8086CPU指令系统 4.1.4 操作数的寻址方式
在指令中，指定操作数或操作数存放位置的方法称为寻址方 式。 8086/8088CPU指令系统的操作数的来源有以下4种：立即数、 寄存器操作数、存储器操作数、端口操作数。 微机系统中除端口操作数外，有七种基本的操作数寻址方式： 立即寻址方式、寄存器寻址方式、直接寻址方式、寄存器间接 寻址方式、寄存器相对寻址方式、基址加变址寻址方式、相对 基址加变址寻址方式，后五种寻址方式是确定存储器操作数有 效地址的计算方法。
第4章 8086CPU指令系统
5. 寄存器相对寻址（Register Relative Addressing）
操作数的有效地址EA 是8位或16位的位移量 （DISP8/16）与基址寄存器BX或基址指示器BP或某个变
址寄存器(DI或SI)之和，即
EA=（BX或BP或SI或DI）+DISP8/16。 MOV AX，[BX+10H]指令操作示意图如图4.6所示。
7
第4章 8086CPU指令系统
在存储器操作数的五种寻址方式中，数据都存放于存储单元
中，在指令操作过程中需要 BIU 通过一个总线周期的访问，才 能获得操作数。因此，存储器操作数的寻址方式是怎么根据给 出的操作数地址因子，计算出操作数的有效地址 EA（Effective Address）。有效地址EA是以下三个地址因子的组合，由CPU的 执行单元EU计算出来。
13
第4章 8086CPU指令系统
代码段 10000H 1000H:0000H
操作码 BX 20H 00H 操作码
1000H:0100H

微机原理 第四章 微型计算机指令系统

微机原理 第四章 微型计算机指令系统

例： 已知: DS=2000H; SI=1000H 指令: MOV [SI+disp]，AX
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寄存器间接相对寻址过程示意图
CPU
寄存器间接相对 SI=1000H
MOV [SI+20H] 程序 ，AX
CS 偏移1000H
DS
SS
ES
位移20H
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寄存器相对寻址过程示意图
真正数据所在的地址
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错误指令举例： 6）基址变址寻址： MOV [BX+CX]，AX ； CX不能做变址寄存器 MOV [BX+BP]，AX ； BP不能作为变址寄存器 操作数的有效地址 EA等于一个基址寄存器（ BX或 MOV [BX+DI]，ARRAY； BP）与一个变址寄存器（ SI或DI）的内容之和；
总时间=基本执行时间+计算EA的时间+执行总线读/写周期的时间
指令的基本执行时间随指令类型的不同差异很大，访问存 储器既要执行总线的读/写周期，又要计算操作数的有效地址 EA，计算EA的时间又与指令的寻址方式有关。
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4.2 8086/8088指令系统
数据传送类指令
算术运算类指令 位操作类指令 串操作类指令 控制转移类指令 处理器控制类指令
21000H 20 位 物 理 地 址 真正数据所在的地址 Memory DS … 20000H
…
78H 21000H 56H
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4）寄存器间接寻址：
此方式的操作数存放在存储器单元中，指令给出的 16位寄存器值就是该操作数所在存储单元的EA。

例： 已知: （DS）=2100H，（DI）=2000H 指令： MOV AX，[DI] ；(AX) ((DI)) 注：使用BX、SI、DI，操作数在DS段；BP时在SS段 其中寄存器只能是BX、SI、DI、BP

MCS-51单片机的指令系统

MCS-51单片机的指令系统

整理ppt
12
4.2 寻址方式
51汇编语言有42种操作码助记符，用来描述33种操作功 能。一种操作码可以使用一种以上的数据类型，又由于 助记符规定了其访问的存储器空间，所以一种功能可能 有几个助记符（如MOV、MOVX、MOVC）。功能助记 符与寻址方式组合，得到111条指令。
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13
4.2 寻址方式
1）无操作数单字节指令
这类指令只有操作码字段，操作数隐含在操作码中。
例如：INC DPTR
指令码为 ：
数据指针隐含其中
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6
指令的组成及字节数
2）含有操作数寄存器号的单字节指令 单字节的指令码由操作码字段和指示操作数所 在寄 存器号的字段组成。 例如；MOV A，Rn 指令码为：
其中，rrr为寄存器Rn的编号
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2
4.1 指令和指令程序
“指令”： CPU能直接识别和执行的命令。 指令系统：CPU所能执行的全部指令的集合。
与CPU的能力、使用的方便灵活性密切相关。 指令的记忆问题？指令本身是二进制代码。
例如以下的51单片机指令：
把10放到累 740AH 加器A中 为பைடு நூலகம்便于记忆 指令助
A加20，结 果仍在A中
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指令的组成及字节数
3．三字节指令（17条）
这条指令的指令码的第1字节为操作码；第2和第3字节为 操作数或操作数地址，有如下3类。 1）16位数据 例如：MOV DPTR，#26ABH 指令码为：
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指令的组成及字节数
2）8位地址和8位数据 例如：MOV 74H，#0FFH 指令码为：
在MCS-51指令中，若操作数是以R0~R7来表示操作数时， 就属于寄存器寻址方式。

第4章 指令系统

第4章 指令系统

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.对称性是指: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.
4.兼容性 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,只能做到"向上兼容" .
目前在指令操作码设计上主要采用以下两 种编码方式 1. 固定长度操作码 操作码的长度是固定的,且集中放在 指令字的一个字段中,指令的其余部分全 部用于地址码.例如IBM370机和VAX-11系 列机,操作码的长度均为8位,可表示256 种不同的操作. 2. 可变长度操作码
4.2.2 地址码
地址码用于指定操作数和存放运算结果的地址, 通常称为操作数.操作数可以是一个直接的数或者 是一个数据所在的地址,它以空格与操作码分开.
例如: MOV AX,[SI]
假如用户用高级语言编程,根本不用 考虑寻址方式,因为这是编译程序的事,但 若用汇编语言编程,则应对它有确切的了解, 才能编出正确而又高效的程序.此时应认真 阅读指令系统的说明书,因为不同计算机采 用的寻址方式是不同的,即使是同一种寻址 方式,在不同的计算机中也有不同的表达方 式或含义. 思考:设计指令系统时,数据的寻址方式 越多越好吗?为什么?
4.直接寻址 指令中的形式地址A就是操作数的真实 地址EA,这种寻址方式称为直接寻址方式, 又称为绝对寻址方式.如图5-3所示.
OP 寻址特征 A 主存 A 操作数
图5-3 直接寻址方式
例如: MOV AL,[0080H] MOV AX,[1000H]

《计算机组成原理》教程第4章指令系统

《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.

计算机原理 第四章指令系统

计算机原理 第四章指令系统

4. 寄存器间接寻址方式
指令给出寄存器号，寄存器中存放着操作数的地址。
优点：寄存器的位数 较长（一般为机器字 长），足以访问整个 内存空间，这样既有 效地压缩了指令长度， 又解决了寻址空间太 小的问题。
主存单元 例： ADD (R1)，(R2) R0 1000H 1000H 3A00H
R1
2C00H＋ 3B00H → 3000H单元 R2
计 算 机 组 成 原 理
指令扩展举例 1
16位指令字 三地址指令范围 xxxx
0000 1110 1111 1111 1111 1111 1111 1111
xxxx xxxx xxxx
A1 A1 0000 1110 1111 1111 1111 1111 A2 A2 A1 A1 0000 1110 1111 1111 A3 A3 A2 A2 A1 A1 0000 1111
２．变长操作码，定长指令码。
操作码长度不固定，但指令码的长度固定。这种设计当操作码变 长时，地址码就缩短（地址个数变少），但指令字总长不变。 〔例〕 设某机器的指令长度为16位，包括基本操作码4位和三个 地址字段，每个地址字段长4位，其格式为： 15 14 13 12 OP 11 10 9 8 AD1 7 6 5 4 AD2 3 2 AD3 1 0
第四章
§4.1 指令格式
指令系统
（Ｐ148）
§4.2
寻址方式
§4.3 指令类型 §4.4 § 4.5 CISC和RISC 实验模型机的指令系统汇总表
§4.1 指令格式
计算机指令是计算机硬件能够识别并直接执行的操作命令，又称为 机器指令。
一、指令格式
一条指令应包括两方面的信息：操作码信息和地址码信息。 操作码OP 地址码AD

第4章 指令系统

第4章 指令系统
度和数据长度有一定的关系，以方便处理和
存取。
二、对指令系统性能的要求三
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。
a、CISC：70年代后，大多数计算机的指 令系统多达几百条。我们称这些计算机 为复杂指令系统计算机(CISC)。
b、RISC：但是如此庞大的指令系统难以 保证正确性，不易调试维护，造成硬件 资源浪费。为此人们又提出了便于LSI技 术实现的精简指令系统计算机（RISC） 返回
二、对指令系统性能的要求一
4.4、指令和数据的寻址方式
一、指令的寻址方式 二、操作数寻址方式
三、寻址方式举例
一、指令的寻址方式一
1、寻址方式:形成操作数有效地址或指令 有效（偏移）地址的方式。 2、寻址方式分为两类，既指令寻址方式和 数据寻址方式。 3、指令的寻址方式有两种，一种是顺序寻 址方式，另一 种是跳跃寻址方式。 4、操作数或指令在存储器中的地址：某个 操作数或某条指令存放在某个存储单元 时，其存储单元的编号就是地址。请看 图示
答案：
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例三答案：
三、低级语言与硬件结构的关系
高级语言 低级语言
Visual c++、foxpro、java
与软件结构和指令系统无关 编写的程序可在不同机器上 运行
汇编语言、二进制语言
与机器、指令系统密切相关 编写的指令系统不同，不同
机器用不同汇编语言编写程 序，机器唯一可识别的是二

ch04-指令系统

ch04-指令系统
把累加器A中的内容与源操作数所指的数
据相互交换。 （5条）
– – – – – XCH A, Rn XCH A, @Ri XCH A, direct XCHD A, @Ri SWAP A
堆栈操作指令
– PUSH direct • 先将堆栈指针SP的内容加1, 然后将direct 所指字节单元的内容送入SP所指内部RAM 单元;
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逻辑与指令
用法（格式）：ANL Dest , Source
– ANL A, Rn
– – – – – ANL ANL ANL ANL ANL A, direct A, @Ri A, ＃data direct, A direct, ＃data
A
B
Y
0
0 1
0
1 0
0
0 0
功能：Dest Dest & Source。
程序存储器数据传送指令
（1）指令格式 – 格式：MOVC A，[源字节] – MOVC A, @A+DPTR – MOVC A, @A+PC （2）操作数：目的操作数只能是累加器
A，源操作数则采用变址寻址方式。寄存 器 间 接 地 址 只 能 是 @A+DPTR 和 @A+PC 。
数据交换类指令
内部RAM之间的数据传送指令
共5条： – MOV direct1, direct2 – MOV direct , Rn – MOV Rn , direct – MOV direct ,@Ri – MOV @Ri ,direct
与累加器A有关的数据传送指令
共6条： – MOV A，Rn – MOV Rn ， A – MOV A，direct – MOV direct ， A – MOV A，@Ri – MOV @Ri ， A

计算机组成原理-第4章_指令系统

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。

第四章 AT89s52指令系统

第四章 AT89s52指令系统
片内RAM 00H 40H 40H 36H
36H
第四章 AT89S52指令系统
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寄存器间接寻址
@Ri用于片内RAM寻址，地址范围为00H～ FFH；如MOV A ，@R0。 @Ri用于片外RAM寻址，寻址空间为00H～FFH； 此时片外RAM地址的低8位由Ri中内容决定， 地址高8位一般由P2口决定，例如，MOVX A， @R0。 @DPTR的寻址范围覆盖片外RAM的全部64K区 域，例如，MOVX A，@DPTR
第四章 AT89S52指令系统
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立即寻址
例4-8 MOV A，30H ；(30H)→ (A) MOV A，#30H； #30H→ (A)
MOV DPTR， #0EFFFH ；0EFFFH→（ DPTR0）
例4-9
第四章 AT89S52指令系统
27
寄存器间接寻址
寄存器间接寻址方式把指令中寄存器的内容 作为地址，再到该地址单元取得操作数。这 是一种二次寻址方式，所以称为寄存器间接 寻址。 程序执行分二步完成：首先根据指令查出寄 存器的内容，即操作数的地址；第二步再根 据地址找到所需要的操作数，并完成相应的 操作。
第四章 AT89S52指令系统
7
4.1.1 汇编语言执行指令格式
操作码：也称助记符，汇编语言中由英文单 词缩写而成，反映指令的功能。 操作数(可以没有)：参加操作的数据或数据存 放的地址。 不同功能的指令，可以有3个、2个、1个或者 根本没有操作数，与操作码之间至少需要一 个空格隔开。反映指令的操作对象。 操作数1称为目的操作数，操作数2称为源操 作数。
22
第四章 AT89S52指令系统
直接寻址
指令中直接给出操作数所在存储单元的地址， 该地址指出了参与运算或传送的数据所在的 字节单元或位的地址。 直接寻址方式中操作数存储的空间有以下三 种： l特殊功能寄存器SFR； l片内RAM的低128字节(0～7FH)； l 位地址空间；

第四章 指令系统小结

第四章 指令系统小结
第四章 小结 重点提示： 重点提示： 1．什么是指令，指令系统 什么是指令， 2. 指令格式包含哪些内容，每部分如何合 指令格式包含哪些内容， 理设置 指令和数据的寻址方式有哪些， 3. 指令和数据的寻址方式有哪些，各有什 么特点。 么特点。
串联本章的问题 1问：数据可以在计算机中表示，但计算机如何 数据可以在计算机中表示， 对这些数据进行处理。 对这些数据进行处理。 答：通过指令 2问：什么是指令，指令如何构成？ 什么是指令，指令如何构成？ 答：指令是指示计算机执行何种操作的命令， 指令是指示计算机执行何种操作的命令， 它由操作码和地址码构成？ 它由操作码和地很多指令，每条指令格式都 计算机中有很多指令， 一样吗？ 一样吗？ 答：不一样？ 指令类型 不一样？ 4问：既然不一样，那在设计指令的时候应该遵 既然不一样， 循什么原则，才能使指令系统简洁而有效呢。 循什么原则，才能使指令系统简洁而有效呢。 答：涉及的知识点：设计指令时应该考虑的因 涉及的知识点： 素

计算机组成原理(白中英)第4章指令系统

计算机组成原理(白中英)第4章指令系统

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。

计原与汇编4

计原与汇编4

第四章 指令系统
（4）一地址指令 格式：
OP A
意义：单操作数指令 OP(A)→A 双操作数指令 (AX) OP (A)→AX
缩短指令长度的方法：
①结果存放在目的操作数地址中。
②用CPU中的寄存器隐含一个OP数。
③把地址隐含在寄存器中。
第四章 指令系统
（5）零地址指令
格式
OP
用于：①空操作指令、停机指令等。
01B50H 01F50H 021A0H 031ACH 被访问存储单元 段基址
FFFFFH 逻辑地址 物理地址
4、与数据相关的寻址方式
（一）寄存器寻址
• 指令中所需的操作数放在CPU内的某通用寄存器 中,由指令给出该寄存器的地址。 指令（地址码部分）：通用寄存器的地址，R#
操作数地址形成： 操作数： R# 在通用寄存器中，（ R#）
（二）操作码结构 操作码：指令中表示机器操作性质和种类的部分。
操作码长度：决定了指令系统中完成不同操作的指
令条数。
操作码设计方法：
1. 固定长度操作码 2. 可变长度操作码（扩展操作码）
（三）地址码结构
地址码结构包括：
指令中需要几个地址——指令格式；
地址如何给出——寻址方式；
地址码长度 指令格式分类： （1）四地址指令 格式
0H
正在执行的指令 下一条指令
IP（指令指针）是指令的地址指针。
（4）标志寄存器FR（Flags Register）
记录程序执行时的状态，存储PSW（16位长），有9个标志位。
OF DF IF TF SF ZF AF PF CF
进位位 奇偶位 辅助进位位 零值位 符号位 单步标志位 中断允许位 方向位 溢出位

计算机组成原理 指令系统

计算机组成原理 指令系统

本章所讨论的指令，是机器指令
本章学习内容
4.1 指令格式 4.2 寻址技术 4.3 堆栈与堆栈操作 4.4 指令类型
本章学习要求
理解：指令的基本格式以及不同地址码（3、2、1 、0地址）的双操作数指令的区别 理解：规整型指令和非规整型指令的特点 掌握：扩展操作码的方法 理解：编址单位和指令中地址码的位数与主存容量 、最小寻址单位的关系 掌握：基本的数据寻址方式和有效地址EA的计算方 法 掌握：自底向上的存储器堆栈的概念及堆栈的进、 出栈操作 理解：常用指令的特点
当用一些硬件资源代替指令字中的地址码字段后
• 可扩大指令的寻址范围
• 可缩短指令字长 • 可减少访存次数 当指令的地址字段为寄存器时
三地址
二地址 一地址
OP R1, R2, R3
OP R1, R2 OP R1
• 可缩短指令字长 • 指令执行阶段不访存
EXP 某指令字长为16位，每个地址码为6位，扩 展操作码技术，设有14条二地址指令，100条一 地址指令，100条零地址指令： 1）画出扩展图 2）计算操作码平均长度 3）指令译码逻辑
1.规整型
操作码字段的位数和位置是固定的。 假定：指令系统共有m条指令，指令中操 作码字段的位数为N位，则有如下关系式： N≥log2 m 规整型编码对于简化硬件设计，减少指 令译码的时间是非常有利的。 IBM 370机（字长32位）的指令可分为 三种不同的长度,不论指令的长度为多少位，其 中操作码字段一律都是8位。
指令长度可以等于机器字长，也可以大于或 小于机器字长。 在一个指令系统中，若所有指令的长度都是 相等的，称为定长指令字结构；若各种指令的长 度随指令功能而异，称为变长指令字结构。

计算机组成原理_指令系统

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
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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 – ……..
23
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。
30
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。

计组第4章

计组第4章

CISC：
•复杂指令系统计算机。 •指令系统中指令数量多达几百条。
RISC：
•精简指令系统计算机。 •选取使用频率最高的简单指令，指令 条数少。
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：
完备性 规整性
有效性
兼容性
完备性 是指用汇编语言编写各
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。
《计算机组成原理》
第四章 指令系统
介绍几个基本概念
指令是指挥机器完成某种操作的命令。
指令系统是某台计算机能直接识别并正
确执行的所有指令的集合。
指令系统是表征一台计算机性能的重要
因素，是计算机软件与硬件的交界面。
主要内容
1. 2. 3. 4. 5. 指令系统的发展 指令的格式 寻址方式 指令的分类和功能 典型指令系统的模型
操作操作数指令操作码寄存器指令操作数寄存器直接寻址操作码存储器指令操作数直接寻址操作码操作数存储器寄存器指令存储器指令操作码操作数寄存器间接寻址存储器间接寻址操作码操作数pc指令存储器存储器寄存器指令操作码操作数变址寻址pc存储器寄存器指令操作码操作数存储器寄存器指令操作码操作数变址相对寻址间接变址寻址16位偏移量dop其中i为间接寻址标志位x为寻址模式字段d位偏移量字段
有效性是指利用该指令系统所编
写的程序能够高效率地运行。 高效率主要表现：
•
•
空间：在程序占据存储空间小；
时间：执行速度快。
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：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：指指令 长度和数据长度有一定的关系，以方便 处理和存取。通常都是字节的整数倍。

4 指令系统

4 指令系统

ZF=0转移指令 SF=1转移指令 SF=0转移指令 子程序调用指令
返回指令
HALT
停机指令
NOP
空操作指令
33
JU-C1模型机指令系统
❖ 模型机指令格式
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JU-C1模型机指令系统
❖ 模型机操作码字段的扩展方式
双操作数指令， 10条
单操作数指令 ，22条
无操作数指令 ，3条
模型机指令编码表见教材P138
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常用的数据寻址方式
❖ 寄存器间接寻址
形式地址是寄存器号，寄存器的内容是操作数的有效地址 例：OP (Rj) ， Ri 特点：能访问较大的主存空间，但克服直接寻址中指令过长的缺点
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常用的数据寻址方式
❖ 变址寻址
有效地址EA=（变址寄存器Ri）＋D 例：OP addr(Ri)，Rj 通常用于字符串处理、数组运算等成批数据处理中
23
常用的数据寻址方式
❖ 基址寻址
有效地址EA=（基址寄存器Rb）＋D 例：OP addr(Rb)，Rj 通常用于多用户计算机系统中，逻辑地址到物理地址的转换
24
常用的数据寻址方式
❖ 相对寻址
有效地址EA=（程序计数器PC）＋形式地址D 通常用于跳转指令中
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常用的数据寻址方式
❖ 堆栈寻址
TEST #1, (R0)
0004H: 019A 000B
JZ 000BH
0006H: 2370 F000 0002 OR #F000H,2(R0)
0009H: 021A 000C
JMP 000CH
000BH: 1F70 FFF0 0001 AND #FFF0H,1(R0)
000CH:
……

计算机组成原理(第三版)第 4 章 指令系统汇编

计算机组成原理(第三版)第 4 章 指令系统汇编
OP D
内存
有效地址 EA=［D］； ［EA］＝ DATA； • 例如: ADD A,＠［3050H］ MOV A,＠［3050H］
… EA … DATA
EA
INFO DEPT@ZUFE HANGZHOU.CHINA
5、寄存器寻址方式 ( Register Addressing )
寄存器寻址：操作数存放于指令的操作码所规定的寄存 器中即操作数位于寄存器中，操作数所在的寄存器编号 存放在指令的REG字段中。 • →速度快、指令短，操作数在CPU中； • 指令格式：
内存
有效地址 EA=［PC或IP］+D； ［EA］＝DATA (指令)；
EA→
…
指令 …
D • 例如:JR SUB1-$
INFO DEPT@ZUFE HANGZHOU.CHINA
；
10、堆栈寻址 ( Stack Addressing )
• 操作数位于存储器中，操作数所在的存储器地址 EA由堆栈指针寄存器SP隐含指出，通常用于堆栈 指令。 • 堆栈是由若干个连续主存单元组成的先进后出（ first in last out，即FILO）存储区，第一个放 入堆栈的数据存放在栈底，最近放入的数据存放 在栈顶。栈底是固定不变的，而栈顶是随着数据 的入栈和出栈在时刻变化。栈顶的地址由堆栈指 针SP指明。 • 一般计算机中，堆栈从高地址向低地址扩展，即 栈底的地址总是大于或等于栈顶的地址，称为堆 栈向上生成；堆栈寻址主要用来暂存中断和子程 序调用时现场数据及返回地址。
OP* MOD REG CPU 寄存器组
R0 … Ri
有效地址 EA=REG； ［REG］＝ DATA； • 例如: EA→ ADD A, Ri ; MOV A, Ri ;
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如停机,空操作,堆栈指令
计算机组成原理 Slide 12
中国地质大学
按操作数的物理位置分类（ 二地址指令 ） 访问内存
存储器－存储器（SS）型
访问寄存器
寄存器－寄存器（RR）型
访问内存和寄存器型
寄存器－存储器（RS）型
计算机组成原理 Slide 13 中国地质大学
指令字长度
形式地址
计算机组成原理 Slide 23
中国地质大学
寻址方式分类
隐含寻址
立即寻址
寄存器间接寻址
相对寻址
直接寻址
间接寻址
基址寻址
变址寻址
寄存器寻址
复合寻址
计算机组成原理 Slide 24
中国地质大学
隐含寻址
在单地址指令中，就是不明显指出地址字段 中第二个操作数的地址。
400
需要访问两次内存,速度慢
已被淘汰
400
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计算机组成原理 Slide 28
中国地质大学
寄存器寻址(Register Addressing)
D是通用寄存器的编号
操作数放在CPU的内部寄存器中.
AX,BX,CX,DX
MOV AX, BX E=R BX
0x2000 AX 0x2000 0x4FFF
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计算机组成原理 Slide 9
指令分类方法
按计算机系统的层次结构分类
按操作数个数分类
按操作数物理位置分类
计算机组成原理 Slide 10
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计算机系统层次结构对指令分类
微指令：
微程序级的指令，属于硬件层面
机器指令：
每一条机器指令可以完成一个独立的运算。
计算机组成原理 Slide 6 中国地质大学
低级语言和高级语言之间的关系
计算机能识别和执行的唯一语言是二进制机器语言，但程序人员编程 很不方便，因此采用助记符号语言（汇编语言）或高级语言编写程序，并 借助汇编程序或编译程序将它翻译成机器语言。 汇编语言的不足：
程序编制工作量大，必须熟悉指令系统 程序可读性差 可移植性差：汇编语言依赖于计算机的硬件结构和指令 系统，不同的机器有不同的指令系统
D＝100
3100
5000
3000
5000
操作数
计算机组成原理 Slide 34
中国地质大学
段寻址
实质是基值寻址。
例如某微机的寻址范围可到1M，即地 址有20位。
16位逻辑地址 16位段寄存器 4位 16位段寄存器
将1M空间以64K为单位划分成若干段
基地址存放在一个16位的段寄存器中 逻辑地址（地址偏移量）放在某个寄 存器中 将段寄存器中地址左移4位，与16位 偏移量相加，形成20位内存地址
E=D+(R)
MOV AX, 200[SI]
OP X 200
内存 3200
SI
操作数
3000
变址寄存器SI
计算机组成原理 Slide 33 中国地质大学
复合寻址(Composite Addressing)
将间址,相对,变址,基值等寻址方式组合.
变址间址
OP X
先变址,后间址.
E=((R)+D)
操作码(OP)与地址码(AC)
操作码字段 地址码字段
指令系统中每一条指令对应一个操作码 操作码的长度取决于指令系统的规模
包含n条指令的指令系统，所需的操作码长度：LOP=〔log2n〕
地址码：操作数的地址
根据一条指令中有几个操作数地址，可将指令称为几操作数指令 或几地址指令 被操作数、操作数、操作结果三种数
计算机组成原理 Slide 3 中国地质大学
系列计算机
系列计算机：基本指令系统相同，基本系统结构 相同的计算机。
IBM，PDP-11，VAX-11，Intel-x86, Pentium
系列计算机主要是解决软件兼容的问题。新计算 机中必须包含老计算机的指令系统，保证软件向 上兼容，保护用户投资。
指令中包含二进制代码的位数 与机器字的长度有关: 单字长,双字长,半字长。 采用多字长指令的目的
解决较大内存空间的寻址问题 取指令要多次访问内存,影响速度，占用存储空间较大。 指令长度相等 结构简单，控制线路简单。 例如：八位微型计算机、PDP/11系列机 指令长度随着指令功能而异 结构灵活，充分利用指令长度，指令的控制复杂 例如：Pentium系列机
地址码字段直接给出操作数在内存的地址. E=D
MOV AX , [200]
200
OP X D
内存
77
200
计算机组成原理 Slide 27
中国地质大学
间接寻址(Indirect Addressing)
D单元的内容是操作数地址, D是操作数地址的地址
E=(D)
300
OP X D
内存
300
E=D+(R)
扩大寻址能力：
基址寄存器的位数可以设置得很长，从而能够在较大的存储空间中寻址
内存
OP X 100
2100 R
XXX
2100
2000 基址寄存器
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计算机组成原理 Slide 32
变址寻址(Index Addressing)
指定一个寄存器R,其存放基址,R被称为变址寄存器。 它与本指令的地址无关, R的内容可以随要求填入。
4.3 寻址方式
寻找指令或操作数有效地址的方式
指令寻址
顺序寻址
跳跃寻址
操作数寻址
计算机组成原理 Slide 18
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顺序寻址
程序的指令序列在主存顺序存放。程序执行时
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。 为了达到顺序寻址的目的，CPU中必须有一个 程序计数器（PC）对指令的顺序号进行计数。
高级语言的不足：
程序要通过编译，效率不高 程序编制人员不能很好的访问系统软件及硬件
计算机组成原理 Slide 7 中国地质大学
4.2 指令格式
表示一条指令的机器字，称为指令字，简称指令。
指令格式：用二进制代码表示指令的结构形式。
操作码字段
地址码字段
计算机组成原理 Slide 8
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4.4 堆栈寻址方式
宏指令：
若干机器指令组成的软件指令，属于软件
计算机组成原理 Slide 11
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按操作数个数分类
三地址指令 二地址指令 一地址指令 零地址指令
OP A1 A2 A3 (A1)OP(A2) → (A3)
OP OP
A1 A OP
A2
(A1)OP(A2) → (A1) (AC)OP(A) → AC
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第四章、指令系统
本章主要内容
指令系统
指令格式
寻址方式
典型指令系统
RISC 与 CISC
计算机组成原理 Slide 2
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4.1指令系统基本概念
机器指令（指令）
计算机能直接识别、执行的某种操作命令。 指令系统（指令集） 一台计算机中所有机器指令的集合。 机器硬件设计的依据，也是软件设计的基础。 硬件和软件间的界面，直接影响计算机系统性能
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等长指令:
变长指令:
计算机组成原理 Slide 14
指令字助记符
ADD：加法；001
SUB：减法；010 MOV：传送；011 JMP：跳转；100 JSR：转子；101 STR：存储；110 LDA：读数；111
计算机组成原理 Slide 15 中国地质大学
[例1] 分析指令格式的特点
15 OP 9 -------7 4 3 0 源寄存器 目标寄存器
1. 单字长二地址指令 2. 操作码字段OP长度为7位，可指定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）。两个操作数均在寄存器中，所以 是寄存器－寄存器型指令
4. 这种指令结构常用于算术逻辑运算类指令
PDP-11 指令格式举例
单操作数指令
OP（10bit） MODE(3) Rn(3)
寻址模式 双操作数指令
OP（4bit） MODE(3) Rn(3)
操作数地址
MODE(3) Rn(3)
源操作数 操作码字段不固定，长度也不相同 可以扩展操作码以包含较多的指令
被操作数
控制器设计更复杂
计算机组成原理 Slide 16 中国地质大学

复杂指令集（Complex Instruction Sets ）


精减指令集（Reduced Instruction Sets）


由于CISC机器的指令系统不断庞大，指令的功能复杂化使硬件结构也复杂化，从而使 得设计周期加长、维护困难。 因此提出RISC机器的设计，硬件只实现使用频率较高的指令，而复杂功能的指令则通 过常用指令来实现，从而使得计算机指令系统简单化（但对编译系统的要求提高）。
计算机组成原理 Slide 5
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指令系统的性能要求
完备性：在可供利用的存储空间和可以接受的时间范围内， 对于任何可计算函数，可以用汇编语言编写程序完成计算， 而不需要用其它软件。 有效性：利用该指令系统编写的程序能高效率运行。
少量指令就可完成一般函数的计算。 它是对完备性的一个重要补充和限制。
计算机组成原理 Slide 35
ALU
20位物理地址

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