计算机指令系统
第四章 指令系统[一]
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译码开始
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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
《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-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。
cisc risc vliw 通俗理解 指令系统划分
cisc risc vliw 通俗理解指令系统划分计算机指令系统是计算机硬件能够识别和执行的一组指令，它是计算机软件和硬件之间的接口。
指令系统的设计直接影响到计算机的性能、功能和成本。
根据指令系统的特点，可以将指令系统划分为CISC（Complex Instruction Set Computing，复杂指令集计算）、RISC（Reduced Instruction Set Computing，精简指令集计算）和VLIW（Very Long Instruction Word，超长指令字）三种类型。
1. CISC（复杂指令集计算）CISC是一种早期的指令系统设计方法，其主要特点是指令长度不固定，一条指令可以完成多个操作。
CISC指令系统中的指令通常包括数据操作、逻辑操作、控制转移等多种功能。
这种设计使得程序员可以用较少的指令完成复杂的任务，提高了编程的灵活性。
然而，CISC指令系统的复杂性也带来了一些问题：- 指令长度不固定导致硬件设计的复杂度增加，降低了处理器的运行速度；- 由于一条指令可以完成多个操作，需要更多的时钟周期来执行，降低了处理器的性能；- 程序中存在大量复杂的指令，使得编译器难以优化代码，降低了程序的执行效率。
2. RISC（精简指令集计算）为了解决CISC指令系统中存在的问题，研究人员提出了RISC指令系统设计方法。
RISC的主要特点是指令长度固定，一条指令只完成一个基本操作。
这使得硬件设计变得简单，提高了处理器的运行速度和性能。
RISC指令系统中的指令主要包括数据操作、逻辑操作和控制转移等基本操作。
与CISC相比，RISC具有以下优点：- 指令长度固定，简化了硬件设计，提高了处理器的运行速度；- 一条指令只完成一个基本操作，减少了时钟周期的数量，提高了处理器的性能；- 程序中的基本操作较为简单，便于编译器优化代码，提高了程序的执行效率。
然而，RISC指令系统的局限性在于其编程灵活性较低，程序员需要使用较多的指令来完成复杂的任务。
计算机组成原理：指令系统
O+P
1A010
(Acc)OP(A1)→Acc
(PC)+1=下条将
要执行指令的地
址
5
执行一条一
+3
地址指令需2次访
8
问主存。
计算机组成原理
50
指令
51 下一指令
100
33
200
300
3.1 指令格式
5.零地址指令
OP
计算机组成原理
操作数地址是隐含的。参加运算的操 作数放在堆栈中，运算结果也放在堆栈中。 有关堆栈的概念将在稍后讨论。
注意
3.1 指令格式
计算机组成原理
例：计算x=(a×b+c-d) ÷(e+f) 三地址指令：
MUL A,B,X
ADD X,C,X
SUB X,D,X
ADD E,F,Y
DIV X,Y,X
5条指令，每条指令4次访存，执行此程 序共访存20次。
3.1 指令格式
计算机组成原理
二地址指令：
MOV X,A MUL X,B ADD X,C SUB X,D MOV Y,E ADD Y,F DIV X,Y
为显地址；也可以依照某种事先的约定，用 隐含的方式给出，称为隐地址。
下面以双操作数指令为例讨论地址码结 构。
3.1 指令格式
1.四地址指令
O+P
1A010
2A020
(A1)OP(A2)→A3
A4=下条将要执行 指令的地址
5
+3
8
计算机组成原理
3A030
44A00040
50
指令
100
55
200
33
300
指令系统名词解析
指令系统名词解析指令系统是一种在计算机系统中使用的程序设计语言，用于向计算机发送指令并执行相应的操作。
以下是一些指令系统的常见名词解析：1. 指令（Instruction）：指示计算机执行特定操作的命令。
指令由操作码和操作数组成，操作码用于表示要执行的操作类型，操作数则指定了操作的对象或数据。
2. 指令集架构（Instruction Set Architecture）：一种计算机硬件与软件之间的接口规范，定义了计算机体系结构所支持的指令集合和操作方式。
3. 指令编码（Instruction Encoding）：指令在计算机存储器中的二进制表示形式。
指令编码通常使用位字段（bit field）来表示操作码和操作数。
4. 操作码（Opcode）：指令中用于表示操作类型的字段。
操作码定义了指令要执行的具体操作，例如加法、乘法、跳转等。
5. 操作数（Operand）：指令中用于指定操作对象或数据的字段。
操作数可以是寄存器、存储单元地址或直接的数据值。
6. 寄存器（Register）：用于存储指令执行过程中的临时数据和中间结果的存储设备。
指令可以直接操作寄存器中的数据，而无需通过主存访问。
7. 程序计数器（Program Counter）：也称为指令指针，用于指示下一条要执行的指令在存储器中的地址。
程序计数器在每次执行指令后更新。
8. 程序（Program）：包含一系列指令的有序集合，用于完成特定任务的计算机程序。
程序由开发人员编写，并通过指令系统来指导计算机执行。
9. 指令流水线（Instruction Pipeline）：一种提高指令执行效率的技术。
指令流水线将指令执行过程分为多个阶段，并允许多条指令同时在不同阶段执行，从而实现指令并行处理。
10. 中央处理器（Central Processing Unit，CPU）：负责执行计算机指令的主要硬件组件。
CPU包括指令执行单元、寄存器和控制单元等功能部件。
名词解释 指令系统
名词解释指令系统
指令系统是指计算机系统用于向计算机执行特定任务发出指令的一套规则
和机制。
指令系统是计算机硬件和软件的重要组成部分,决定了计算机能够做什么、如何执行特定任务。
指令系统由多个层次组成。
首先是汇编语言,它是用汇编语言编写的程序,
能够让计算机直接执行。
汇编语言通常使用简单的指令集,只涉及计算机寄存器和内存的使用,以及数据的操作。
接下来是高级语言,高级语言编写的程序需要通过编译器或解释器翻译成汇编语言或机器语言,才能被计算机执行。
高级语言通常使用更复杂的指令集,涉及更多的操作,例如文件读写、网络通信等。
指令系统还可以包括硬件指令和软件指令。
硬件指令是由计算机硬件直接控制的指令,例如CPU中的寄存器和内存。
软件指令是由操作系统和应用程序编写的指令,例如读写文件的指令,以及网络通信的指令。
指令系统的设计非常关键,它能够影响计算机系统的性能和效率。
优化指令系统可以提高计算机系统的处理能力和响应速度,也可以降低硬件成本和复杂度。
指令系统的错误或缺陷可能导致计算机系统出现错误或崩溃,因此必须保证指令系统的稳定性和可靠性。
指令系统是现代计算机系统的重要组成部分,对于计算机系统的性能和效率有着至关重要的作用。
计算机组成原理-指令系统
1 2
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。
《指令系统 》课件
在人工智能领域的应用
指令系统在人工智能领域中也有 着广泛的应用。人工智能算法的 实现需要大量的计算和数据处理 ，而指令系统可以提供高效的运 算能力和数据处理能力，为人工 智能算法的运行提供支持。
总之，指令系统作为一种底层技术，在各个领域都有着广泛的应用前景，为各行业的发展提供了重要 的技术支持。
05 指令系统的未来发展
指令系统的发展趋势
指令系统向更高效能发展
01
随着技术的进步，指令系统将不断优化，提高执行效率和性能
。
指令系统向更智能化发展
02
人工智能技术的引入将使指令系统具备更强的自适应和学习能
指令系统还可以用于人工智能领 域的模型优化和算法加速，如通 过优化指令系统实现深度学习模 型的快速推理和训练，提高人工 智能应用的性能和效率。
此外，指令系统还可以用于人工 智能领域的安全性和隐私保护， 如通过加密指令或硬件安全模块 等手段保护用户隐私和数据安全 。
在其他领域的应用
除了计算机系统和人工智能领域，指令系统在其他领域也有着广泛的应用。如通信领域中，指令系统 可以用于信号处理和调制解调等操作；在图形处理领域中，指令系统可以用于图像处理和渲染等操作 ；在科学计算领域中，指令系统可以用于数值计算和模拟等操作。
研究如何将人工智能技术应用于指令系统，使其具备更强的智能化 能力。
未来指令系统的发展前景
01
广泛应用于云计算、大数据等领域
随着云计算、大数据等技术的普及，指令系统将在这些领域发挥重要作
用。
02
成为人工智能技术的关键组成部分
随着人工智能技术的发展，指令系统将成为实现人工智能的重要工具。
计算机指令系统
寻址方式
立即寻址：操作 数直接包含在指 令中
直接寻址：操作 数的地址包含在 指令中
间接寻址：操作 数的地址包含在 寄存器中
变址寻址：操作 数的地址包含在 变址寄存器中
相对寻址：操作 数的地址相对于 程序计数器PC
堆栈寻址：操作 数的地址包含在 堆栈中
简单性
指令功能单一，避 免复杂指令组合
● 复杂指令集计算机（CISC）：指令丰富，执行效率高，但设计复杂，功耗较高 ● 精简指令集计算机（RISC）：指令精简，执行效率较低，但设计简单，功耗较低 ● 超长指令字（VLIW）：将多个指令组合成一个超长指令，提高执行效率 ● 单指令多数据流（SIMD）：一条指令可以同时对多个数据进行操作，提高执行效率 ● 向量指令集（VLIW）：将多个指令组合成一个向量指令，提高执行效率 ● 硬件线程指令集（HTISC）：通过硬件线程技术，提高执行效率 ● 微程序控制指令集（Microcode）：通过微程序控制技术，提高执行效率 ● 堆栈指令集（Stack）：通过堆栈技术，提高执行效率 ● 流水线指令集（Pipeline）：通过流水线技术，提高执行效率 ● 超线程指令集（Hyper-Threading）：通过超线程技术，提高执行效率
应用：广泛应用于 4
各种处理器，如 CPU、GPU等
优点：提高指令执 行速度，减少指令
2 执行时间
3
实现方式：通过硬
件和软件的优化，
实现指令执行的并
行化
超线程技术
超线程技术是一种在单个处理器内 部实现多个线程的技术。
超线程技术可以减少处理器的空闲 时间，提高系统的性能。
超线程技术可以充分利用处理器பைடு நூலகம் 部的资源，提高处理器的利用率。
指令级并行可以通过流水线技术、分支预测技术、 指令级并行技术等实现。
指令系统及程序设计
指令系统及程序设计指令系统是计算机体系结构的一个重要组成部分，它规定了计算机如何执行指令，并提供给程序员一套可用的指令集。
指令集是一组计算机指令的汇总，包括控制指令、数据传输指令、运算指令等。
指令集可以通过汇编语言或高级语言来编写，然后通过编译或汇编器将其转化为机器码，供计算机硬件执行。
指令系统的设计需要考虑多个因素，如指令的种类和功能、操作数的个数和格式、指令的寻址方式、指令的执行时间和周期等。
不同体系结构的计算机可能具有不同的指令集架构，如精简指令集(RISC)和复杂指令集(CISC)等。
RISC指令集通常具有固定长度的指令，执行速度较快，而CISC指令集允许一条指令执行多个操作，具有更丰富的功能。
在指令系统的设计中，程序设计也起到了至关重要的作用。
程序设计是指开发和编写执行特定任务的一系列计算机程序的过程。
程序设计包括算法设计、数据结构设计和程序语言选择等。
算法设计是解决问题的方法和步骤的描述，它可以通过伪代码、流程图或实际的编程语言来表达。
数据结构设计是选择合适的数据结构来组织和存储数据，以便于程序的执行和效率的提高。
程序语言选择是根据问题的需求和程序员的经验选择合适的编程语言来编写程序，如C、C++、Java、Python等。
程序设计需要考虑到程序的正确性、可读性、可维护性和性能等方面。
正确性是指程序能够按照预期的方式执行，并得出正确的结果。
可读性是指程序的代码结构清晰、命名规范、注释适当，便于其他人理解和修改。
可维护性是指程序易于修改和维护，具有良好的模块化和重用性。
性能是指程序的执行效率和资源利用率，可以通过算法优化和数据结构优化来提高。
在指令系统和程序设计中，还涉及到编译器、汇编器和解释器等工具。
编译器是将高级语言程序转化为机器码的工具，它包括词法分析、语法分析、语义分析、优化和代码生成等阶段。
汇编器是将汇编语言程序转化为机器码的工具，它将汇编语言中的指令与符号对应起来，并生成机器码。
名词解释计算机的指令系统
名词解释计算机的指令系统计算机的指令系统是指计算机硬件与软件之间的沟通桥梁，它定义了计算机能理解和执行的指令集合。
指令系统负责将用户编写的高级语言或机器语言程序转化为计算机可以理解和执行的底层指令，同时也决定了计算机的体系结构、功能和性能。
一、指令系统的基本概念指令系统由一系列指令组成，每个指令都包含了操作码和操作数。
操作码决定了指令的类型，例如，加法指令、乘法指令、内存读取指令等。
操作数则是指令的操作对象，它可以是寄存器、内存地址或常数。
指令通过操作码来告诉计算机需要执行的具体操作，通过操作数来指定操作所需的数据。
二、指令格式和寻址方式指令格式是指令的组织形式，通常包括操作码、寄存器编号和操作数。
不同的计算机体系结构采用不同的指令格式，如紧凑指令格式、变长指令格式、定长指令格式等。
寻址方式决定了指令如何找到操作数所在的存储位置，常见的寻址方式包括直接寻址、立即寻址、寄存器寻址、间接寻址等。
三、指令执行过程指令的执行过程通常包括取指、分析、执行和写回四个阶段。
取指阶段从内存的指令存储区读取下一条指令，分析阶段解析指令，确定操作类型和操作数，并进行必要的地址计算。
执行阶段根据指令的操作类型执行相应的操作，并根据需要访问内存或寄存器来获取或存储数据。
最后，写回阶段将执行结果写回寄存器或内存。
四、指令系统的设计方法指令系统的设计目标是通过合理的指令集合和编码方式来满足计算机的功能需求，同时提高计算机的性能和效率。
指令系统的设计方法主要有以下几种：精简指令集（RISC）和复杂指令集（CISC）的设计方法、定制指令扩展（ISA Extension）的设计方法、向量指令扩展（SIMD）的设计方法等。
五、指令系统与计算机性能的关系指令系统的设计和优化直接影响计算机的性能。
合理的指令系统可以提高计算机的运算速度、存储器访问效率和程序流水线的利用率。
通过减少指令的数目，简化指令的格式，增加寄存器的数量等方法，可以提高指令系统的效率。
关于指令系统的描述
关于指令系统的描述
x
一、关于指令系统
指令系统是一种用于控制计算机的硬件指令集，不同的指令有不同的功能。
指令系统包括编程语言、指令码和微程序，它们构成了计算机的指令集。
指令系统有助于指定机器按预定方式运行，以及在操作系统和其他软件之间进行适当的数据交换。
指令系统也是一种指令处理机制，其作用是捕获指令，发送给控制器，控制器通过这些指令控制硬件的运行。
它是一种协作机制，它能够实现机器和操作系统之间的协作，以及清晰的指令处理流程，这对于实现计算机的高效运作非常重要。
二、指令系统的组成
指令系统由四部分组成，即指令码、通用寄存器、指令子系统和状态控制器。
1、指令码：指令码是机器指令的文本表示，用于控制机器的操作，它由一系列数字和字母组成。
2、通用寄存器：通用寄存器是用于存储操作的内存空间，它可以存储指令和数据，是指令的主要存储位置。
3、指令子系统：指令子系统负责执行指令，它可以识别指令码并将其转换为机器指令，从而实现指令的操作。
4、状态控制器：状态控制器负责跟踪计算机的运行状态，并根据需要更改其配置。
总之，指令系统是一种用于在硬件和软件之间进行数据交换的机制，它不仅是操作系统和计算机应用软件的重要组成部分，而且是对机器的操作和数据处理的基础。
指令系统的概念
指令系统的概念指令系统是计算机中的一个重要概念，它是指一组用于控制计算机硬件执行特定操作的机器指令的集合。
指令系统定义了计算机所能执行的基本操作，包括数据的处理、存储和传输。
指令系统由指令集构成，指令集是一种特定处理器体系结构所支持的所有指令的集合。
指令集可以分为固定长度指令集和变长指令集两种类型。
固定长度指令集中，每个指令的长度都是相同的，例如32位或64位；而在变长指令集中，指令的长度可以不固定，可以根据指令所需的位数来确定。
指令系统中的每个指令都由操作码和操作数组成。
操作码是指令的唯一标识，用于指示计算机应该执行的操作类型，例如算术运算、逻辑运算或数据传输等。
操作数是指令所处理的数据，可以是寄存器、内存地址或立即数等。
指令系统中的指令可以分为几个不同的类型。
常见的指令类型包括数据传输指令、算术逻辑指令、控制指令和特权指令等。
数据传输指令用于将数据从一个位置传输到另一个位置，例如将数据加载到寄存器或从寄存器保存到内存。
算术逻辑指令用于执行算术和逻辑运算，例如加法、减法、乘法、逻辑与或逻辑非等。
控制指令用于控制程序的流程，例如条件分支和循环。
特权指令用于执行需要特殊权限的操作，例如访问操作系统资源或保护计算机的安全。
指令系统也可以按照指令的执行方式进行分类。
常见的指令执行方式包括顺序执行、并行执行、乱序执行和超标量执行等。
顺序执行是指按照指令在程序中的顺序依次执行指令。
并行执行是指多个指令同时执行，可以提高计算机的性能。
乱序执行是指根据指令之间的依赖关系，动态地重新调整指令的执行顺序，以提高计算机的效率。
超标量执行是指同一时间可以并行执行多条指令，例如在一个时钟周期内可以同时执行两条或多条指令。
指令系统的设计与实现对计算机的性能和功能有着重要影响。
一个好的指令系统应该能够提供丰富的功能、高效的执行速度和有效的资源利用。
指令系统的设计需要考虑多个因素，包括处理器架构、指令的位宽、指令的类型和执行方式等。
计算机组成原理中的指令系统与微程序
计算机组成原理中的指令系统与微程序指令系统和微程序是计算机组成原理中两个重要的概念。
指令系统是计算机内部实现各种功能的基本指令集合，而微程序是为了实现指令系统而设计的一种硬件逻辑。
本文将介绍指令系统和微程序的基本概念及其在计算机组成原理中的作用。
一、指令系统指令系统是计算机内部实现各种功能的指令的集合。
它定义了计算机可以执行的操作和数据处理方式。
指令系统包括指令的格式、寻址方式和操作码等要素。
指令系统决定了计算机的功能和性能。
指令系统中的指令可以分为多种类型，如数据传输指令、算术逻辑指令、控制指令等等。
不同类型的指令完成不同的操作，通过组合和执行这些指令可以实现计算机所需的各种功能。
指令系统的设计应考虑到计算机硬件的性能和复杂性。
一方面，指令系统应尽可能的简单，以提高计算机的执行效率；另一方面，指令系统也应具备足够的功能，以满足各种应用需求。
二、微程序微程序是为了实现指令系统而设计的一种硬件逻辑。
它是将指令系统的功能细化为一条条微指令，通过控制器按照微指令的顺序来执行各种操作。
微程序的设计思想是将指令的执行过程细化为若干个微操作，并将这些微操作编码为微指令。
每个微指令都包含了一条指令的执行操作，通过按照指令的顺序执行微指令，就可以实现整个指令系统的功能。
微程序的设计可以将指令系统的功能分解为若干个步骤，每个步骤对应一个微指令。
这样可以大大简化指令的执行过程，提高计算机的执行效率和灵活性。
微程序还可以方便地更新和修改，以适应不同的应用需求。
三、指令系统与微程序的关系指令系统和微程序是紧密相关的。
指令系统定义了计算机可以执行的操作和数据处理方式，而微程序则是实现这些操作和处理方式的具体方法。
微程序是指令系统的一种实现技术，它将指令系统的功能细化为一条条微指令，通过控制器按照微指令的顺序来执行各种操作。
通过微程序，可以实现复杂的指令功能，提高计算机的执行效率和灵活性。
指令系统和微程序之间的关系可以用一个类比来理解。
计算机原理 指令系统
第三章指令系统第一节指令基本格式及寻址方式一、指令及指令系统的概念1．指令指令是计算机硬件能够直接识别和执行的命令。
指令是计算机微操作的组合。
能够完成一定处理任务的指令序列就是计算机程序。
区别：计算机运行所需的指令及相关文档的集合称为软件。
2．指令系统一台计算机所能执行的所有指令的全体集合称为指令系统。
反而言之，不同计算机有不同的指令系统。
强调：指令系统属于计算机硬件范畴。
一个完整的指令系统应满足下面几个要求：（1）完备性：指用汇编语言编制各种程序时指令系统提供的指令足够用。
（2）有效性：指令尽其所能可能短，以便程序所占存储空间小、执行速度快。
（3）规整性：指令的长度是字节的整数倍。
对称性：所有寄存器和存储单元可以同等对待，指令可以使用各种寻址方式。
匀齐性：指令可以支持各种数据结构，编程时无需考虑数据类型。
一致性：指令的长度与数据的长度有一定的关系，以方便存取和处理。
（4）兼容性：在不同机器上能够不作修改地运行。
二、指令格式及分类1．指令格式指令包括操作码和地址码（操作数）。
操作码：表明该条指令操作的性质和功能。
地址码：表明参加操作的操作数地址和结果地址。
指令长度：是操作码的长度与地址码的长度之和。
指令的长度与字长没有固定关系，但一定是字节的整数倍。
操作码的长度，决定指令的种类（条数）。
地址码的长度，决定了指令的寻址空间（所能访问的最大存储空间）。
2．指令格式的分类根据指令中给出的操作数的个数可以将指令分为：零地址指令、一地址指令、二地址指令、三地址指令、多地址指令。
一条指令可以没有地址码，但必须要有操作码。
（ ）零地址指令中没有一个操作数地址，如停机指令（HALT）、空操作指令（NOP）。
三、寻址方式寻址方式包括：指令的寻址：确定本条指令的地址和下一条要执行指令的地址的方法。
（顺序寻址方式PC（程序计数器、指令指针寄存器）和跳跃寻址方式）操作数的寻址：找到操作数的方法。
操作数寻址方式有：1．立即数寻址：指令中直接给出操作数，通常用于给寄存器设置初始值，操作数在指令中，特点是寻址速度最快，缺点是灵活性最差。
计算机指令系统
第一节 指令系统
编码方式 0操作数指令（只有操作码）
计算机重新启动指令reset 停机指令stop， halt，空操作 nop
指令格式为：操作码OP
1操作数（地址）指令
如自动“+1”、“-1”、“求反”，跳转 jmp 01
指令格式为：操作码OP 地址
第一节 指令系统
2操作数指令
一、传送指令 4．间接寻址 MOV Reg, [SReg]
间接寻址方式的操作数在存储器中。 操作数地址的偏移量包含在特殊寄存 器BX, BP, SI和DI之一中。 数据段寄存器DS加上SI, DI, BX中的 偏移量为操作数的地址。PA=[DS]16+[SI]
（2）举例 MOV AX，[SI] 寄存器，移位寄存器，加法器，地址总线，数据总 线
一个存储单元的数加上另一个存储单元 add A，B，或add A，10或add A，(10)
操作码OP 第一操作数A1 第二操作数A2 二地址指令在计算机中得到了广泛的应用， 但是在使用时有一点必须注意：指令执行 之后，A1中原存的内容已经被新的运算结 果替换了。第一节 指令系统 作数类型第一节 指令系统
指令系统的要求
完备性：完备性是指用汇编语言（机器指令） 可以编写任何种程序。 有效性：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。 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。 指令的表现形式是机器语言，机器语言一般通 过汇编来书写。
不断增加可实现复杂功能的指令和多种 灵活的编址方式，甚至某些指令可支持 高级语言语句归类后的复杂操作。一般 CISC计算机所含的指令数目至少300条 以上，有的甚至超过500条。 VAX11/780计算机有303条指令，18 种寻址方式。Pentium机也有191条指 令，9种寻址方式。
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LES DI，[1200H] MOV AX，EI:[DI]
ES DI
┇
1200H
34H 12H 00H 60H
┇
数 据 段
61234H
33H 22H ┇
附 加 段
数据传输指令 (4/7)
堆栈操作指令 掌握： 有关堆栈的概念（栈顶、栈首、栈底） 堆栈指令的操作原理（执行过程、执行结果）
堆栈操作的原则
间接寻址 16位端口地址由DX指定，可寻址64K个端口
传输字节的长度由累加器决定
例
IN AX，80H;
80H 不写成[80H]
MOV DX，03FFH IN AL，DX ；这里不是[DX] OUT DX，AX
OUT AL，3FH
数据传输指令 (7/7)
标志位传输指令（自习）
例：MOV AX，[BX]
2.1
例：
设（BX）=1200H 则执行MOV AX，[BX]后
MOV
代 码 段
偏移地址
┇
1200H
22H 11H
AH AL 11 22
3. 参与操作的操作数存放在内存中，这个操作 数的地址经过（适当）运算得到 例：MOV AX，[BX+0220H] 例：MOV AX，[SI+BX] 例：MOV AX，[BP+SI+0220H]
传输、填充指令（略,80386及后续cpu增加 的指令）
数据传输指令 (2/7)
交换指令 格式： XCHG REG，MEM/REG 两操作数必须有一个是寄存器操作数 不允许使用段寄存器
与MOV指令的不同之处
例： XCHG XCHG AX，BX [2000]，CL
数据传输指令 (3/7)
┇
条件转移指令
在满足一定的条件下，程序转移到目标地 址继续执行；
在条件转移指令之前，应有一条为条件转 移指令的执行形成条件的指令（如对标志 位产生影响的指令）；
条件转移指令均为段内短转移，即转移范 围为： -128------+127
2. 循环控制指令
控制程序在以当前IP为中心的-128～+127范 围内循环执行；
先进后出 以字为单位
堆栈操作指令
压栈指令 PUSH 格式: PUSH OPRD
出栈指令 POP 格式: POP OPRD
压栈指令PUSH
指令执行过程： (SP） （SP）-2 （SP）-1 操作数高字节 （SP）-2 操作数低字节
SP:栈顶指针寄存器
压栈指令PUSH
设AX=1234H，SP=1200H 执行 PUSH AX 指令后堆栈区的状态：
LDS指令例
例： LDS DI，[1200H] MOV AX，[DI]
指令执行后：
LDS指令例
DS = 6000H DI = 1234H AX = 2233H
┇ 1200H DI
DS
34H 12H 00H 60H
┇
数 据 段 1
61234H
33H 22H ┇
数 据 段 2
LES指令例
直接转移： JMP Lable
近地址标号
┇
位移量
JMP
代 码 段
转移目标地址：
段基地址不变； 偏移地址=当前IP+位移量 Label
┇
┇
无条件段内转移
间接转移： JMP BX JMP WORD PTR[BX]
IP
┇
JMP
┇
指令码
代 码 段
┇
BX=1200 XXH XXH 数 据 段
┇
无条件段间转移
入栈后 12H 34H AX 入栈前
┇
┇
堆 栈 段 堆 栈 段
SP-2=11FEH
1200H
34H 12H
1200H
出栈指令POP
指令执行过程： （SP） 操作数低字节 （SP）+1 操作数高字节 (SP）←（SP）+2
出栈指令的操作
执行 POP AX 堆栈区的状态：
12 AX 34 代 码 段
LEA指令 LDS指令 LES指令
取偏移地址指令LEA
将变量的16位偏移地址取出送目标寄存器 格式：
LEA REG，MEM
存储器操作数
指令要求源操作数必须是一个存储器操作数 ，目标操作数通常是间址寄存器。
LEA指令
比较下列指令：
LEA SI，DATA1； (说明DATA1) MOV SI，DATA1； （书P88,应加中括号） MOV BX，[BX] LEA BX，[BX]
无条件转移指令
指令格式： JMP OPRD 无条件转移的目标地址可以是在当前代码段 ，也可在另一代码段
无条件转移指令
段内转移——目标地址与JMP指令在同一代码段 转移方式： 直接转移——指令中直接给出转移的目标地址
间接转移——由指令中的寄存器或存储器间接给出
转移 目标地址
无条件段内转移
LEA指令
┇ DATA1 34H 12H ┇
1100H
88H 77H
┇
BX=1100H
取远地址指针指令
LDS reg，MEM32 LES reg，MEM32 指令中源操作数是存储器某4个连续单元的偏移地 址，目标操作数是间址寄存器,书中称为段寄存器传 输指令（Load Segment Instruction）。
4.3.2. 算数运算
加法指令 ADD AX，BX ADC DX，0123H 减法指令 SUB SBB 乘法指令 MUL 其他 略
4.3.3. 逻辑运算
与 或 非 异或 AND OR NOT XOR 其他 略
4.3.4. 位移操作
略
4.3.5. 字符串操作
略
4.3.6. 程序控制
转移指令 循环控制 过程调用 （调用与返回的堆栈操作） 中断控制 （基本概念、调用与返回）
1. 转移指令
无条件转移指令
无条件转移到目标地址，执行新的指令
有条件转移指令
在具备一定条件的情况下转移到目标地址
转移指令的转移原理
通过修改代码段寄存器CS及指令指针IP 的内容，使程序改变顺序执行的模式， 转到新的目标地址执行。
执行原程序 —— 断点恢复。
调用指令的执行过程
将调用指令的下一条指令的地址（断点）压入堆栈
；
获取子过程的入口地址（子过程第1条指令的偏移
地址）； （执行子过程，含相应参数的保存及恢复）； 将断点偏移地址由堆栈弹出，返回原程序。
段内调用
子过程与原调用程序在同一代码段，在调 用之前只需保护断点的偏移地址 格式： CALL NEAR PROC
第四章 指令系统
主要内容 指令与指令系统 操作数的寻址方式 微机指令系统 作业page129 一。1~19；p131：二，1、2 、3、5、9、10、12。 4、11前半部分； P134：三。1、2、3、4、5、6（1、2、3） 、11.
4.1 指令与指令系统
指令格式 指令字长与执行时间
PUSH
┇
34H
12H 11FEH 堆 栈 段
SP+2
堆栈操作指令说明
指令的操作数必须是16位的； 操作数可以是寄存器或存储器两单元， 但不能是立即数； 不能从栈顶弹出一个字给CS；
PUSH和POP指令在程序中一般成对出现；
PUSH 指令的操作方向是从高地址向低地 址，而POP指令的操作正好相反。
源操作数1 操作 源操作数2
目的操作数
见Page75， 指令通常包括几个部分？与你学过的VB比较一下
指令字长与执行时间
简单叙述指令字长与执行时间的关系
4.2 操作数的寻址方式
什么是寻址方式？ 寻址过程？ 操作数寻址方式？ 操作数在指令中的表现形式对应以下寻址方式 立即 寻址 寄存器 寻址 内存 寻址 操作数分为。。。。
8A C3 8AH C3H
┇
代 码 段
┇
代 码 段
4.2.3 存储器寻址
1. 指令中直接给出操作数的偏移地 址 例：MOV AX，[1200H] Page 80 图4.4
偏移地址
┇
1200H
22H 11H
数 据 段
AH
AL
2. 参与操作的操作数存放在内存中，其偏移地 址为指令中的寄存器的内容。
4.3.1. 数据传输指令 (1/7)
1.数据传送指令 MOV 格式：MOV dest，src
操作：src
dest
例： MOV AL，BL
如何理解以下规定
目标操作数不能是立即数 ； 两操作数字长必须相同 ； 两操作数不允许同时为存储器操作数； 两操作数不允许同时为段寄存器； 在源操作数是立即数时，目标操作数不 能是段寄存器； IP和CS不作为目标操作数，FLAGS一 般也不作为操作数在指令中出现。
循环次数由CX寄存器指定。
无条件循环指令LOOP
循环指令 条件循环指令 LOOPZ
LOOPNZ
无条件循环指令
格式：
LOOP Lable