第7章 指 令 系 统

第７章指令系统7.1 机器指令7.2 操作数类型和操作类型7.3 寻址方式7.4 指令格式举例7.5 RISC 技术7.1 机器指令一、指令的一般格式操作码字段地址码字段1. 操作码反映机器做什么操作(1)长度固定用于指令字长较长的情况，RISC如IBM 370操作码8 位(2)长度可变操作码分散在指令字的不同字段中操作码的位数随地址数的减少而增加OPA 1A 2A 3000000011110…A 1A 1A 1…A 2A 2A 2…A 3A 3A 3…A 2A 2A 2…A 3A 3A 3…111111111111 (000000011110)…11111111…11111111…11111111…00000001…111111111111…111111111111…A 3A 3A 3…000000011110…4 位操作码8 位操作码12 位操作码16 位操作码最多15条三地址指令最多15条二地址指令最多15条一地址指令16条零地址指令操作码的位数随地址数的减少而增加OPA 1A 2A 3000000011110…A 1A 1A 1…A 2A 2A 2…A 3A 3A 3…A 2A 2A 2…A 3A 3A 3…111111111111 (000000011110)…11111111…11111111…11111111…00000001…111111111111…111111111111…A 3A 3A 3…000000011110…4 位操作码8 位操作码12 位操作码16 位操作码三地址指令操作码每减少一种可多构成24 种二地址指令二地址指令操作码每减少一种可多构成24种一地址指令2. 地址码(1) 四地址(2) 三地址OPA 1A 2A 3A 48 6 6 6 6A 1第一操作数地址A 2第二操作数地址A 3结果的地址A 4下一条指令地址若PC 代替A 4(A 1) OP (A 2) A 38 8 8 8OPA 1A 2A 3(A 1) OP (A 2) A 34 次访存4 次访存寻址范围26= 64寻址范围28= 2567.1设指令字长为32 位操作码固定为8 位(3) 二地址OPA 1A 28 12 12(A 1) OP (A 2) A 1(A 1) OP (A 2) A 2或4 次访存若ACC 代替A 1（或A 2）若结果存于ACC(4) 一地址(5) 零地址OPA 18 24无地址码(ACC) OP (A 1) ACC2 次访存寻址范围212= 4 K寻址范围224= 16 M3次访存7.1二、指令字长指令字长决定于操作码的长度指令字长= 存储字长2. 指令字长可变操作数地址的长度操作数地址的个数1. 指令字长固定按字节的倍数变化7.1小结当用一些硬件资源代替指令字中的地址码字段后当指令的地址字段为寄存器时•可扩大指令操作数的寻址范围•可缩短指令字长•可减少访存次数三地址OP R 1,R 2, R 3二地址OP R 1, R 2 一地址OP R 1•可缩短指令字长7.17.2 操作数类型和操作种类一、操作数类型地址数字字符逻辑数无符号整数定点数、浮点数、十进制数ASCII 逻辑运算二、数据在存储器中的存放方式37621540字地址04低字节04512673字地址04低字节存储器中的数据存放（存储字长为32位）地址（十进制）04812162024283236双字双字（地址32）双字双字（地址24）半字（地址20）半字（地址22）半字（地址16）半字（地址18）字节（地址8）字节（地址9）字节（地址10）字节（地址11）字（地址4）字（地址0）字节（地址14）字节（地址15）字节（地址13）字节（地址12）边界对准地址（十进制）04字节( 地址7)字节( 地址6)字( 地址2)半字( 地址0)字( 地址4)边界未对准✓✓✓✓▲▲7.2三、操作类型1.数据传送源目的寄存器寄存器寄存器寄存器存储器存储器存储器存储器置“1”，清“0”2. 算术逻辑操作加、减、乘、除、增1、减1、求补、浮点运算、十进制运算与、或、非、异或、位操作、位测试、位清除、位求反如8086MOVESTORE LOAD MOVEPUSHPOP例如MOVE MOVE 7.2ADD SUB MUL DIV INC DEC CMP NEGAAA AAS AAM AAD3. 移位操作算术移位4. 转移(1) 无条件转移JMP (2) 条件转移结果为零转（Z = 1）JZ 结果溢出转（O = 1）JO结果有进位转（C = 1）JC跳过一条指令SKP循环移位（带进位和不带进位）如300…305306307SKP DZ D = 0 则跳逻辑移位完成触发器7.2(3) 调用和返回CALL SUB1......CALL SUB2…...CALL SUB2…RETURNRETURN 主程序地址200021002101子程序SUB1240025002501256025612700主存空间分配程序执行流程子程序SUB27.2...IN AX, n OUT DX, AL , AXOUT DX, AX(4) 陷阱（Trap ）与陷阱指令意外事故的中断•设置供用户使用的陷阱指令如8086 INT TYPE 软中断提供给用户使用的陷阱指令，完成系统调用5. 输入输出•一般不提供给用户直接使用在出现事故时，由CPU 自动产生并执行（隐指令）IN AL, DX IN AX, DX 入端口地址CPU 的寄存器出CPU 的寄存器端口地址7.2如如IN AL,n OUT n , AL寻址方式确定本条指令的操作数地址下一条欲执行指令的指令地址指令寻址寻址方式数据寻址一、指令寻址顺序( PC ) + 1 PC跳跃由转移指令指出LDA 1000ADD 1001DEC 1200JMP 7LDA 2000SUB 2001INCSTA 2500LDA 1100012345678PC+1指令地址寻址方式指令地址指令顺序寻址1顺序寻址2顺序寻址3跳跃寻址7顺序寻址8二、数据寻址形式地址指令字中的地址有效地址操作数的真实地址约定指令字长= 存储字长= 机器字长1. 立即寻址•指令执行阶段不访存形式地址A操作码寻址特征OP#A 立即寻址特征立即数可正可负补码形式地址A 就是操作数7.32. 直接寻址EA = A操作数主存寻址特征LDA AAACC•执行阶段访问一次存储器•A 的位数决定了该指令操作数的寻址范围•操作数的地址不易修改（必须修改A ）有效地址由形式地址直接给出7.33. 隐含寻址操作数地址隐含在操作码中ADDA操作数主存寻址特征AACC暂存ALU 另一个操作数隐含在ACC 中如8086MUL 指令被乘数隐含在AX （16位）或AL （8位）中MOVS 指令源操作数的地址隐含在SI 中目的操作数的地址隐含在DI 中7.34. 间接寻址EA =（A ）有效地址由形式地址间接提供OPA寻址特征AEA主存EA A 1EAA 1主存EA 1•执行指令阶段 2 次访存•可扩大寻址范围•便于编制程序OPA寻址特征A一次间址多次间址操作数操作数多次访存7.3… …子程序主程序…8081201202调用子程序调用子程序间接寻址编程举例(A) = 81(A) = 202……@ 间址特征7.3JMP @ A……5. 寄存器寻址EA = R i•执行阶段不访存，只访问寄存器，执行速度快OPR i寻址特征操作数…………R 0R iR n寄存器有效地址即为寄存器编号7.3EA = ( R i )6. 寄存器间接寻址•有效地址在寄存器中，操作数在存储器中，执行阶段访存操作数主存OPR i寻址特征地址…………R 0R i R n 寄存器有效地址在寄存器中7.37. 基址寻址(1) 采用专用寄存器作基址寄存器EA = ( BR ) + A BR 为基址寄存器OP A操作数主存寻址特征ALUBR •可扩大寻址范围•有利于多道程序•BR 内容由操作系统或管理程序确定•在程序的执行过程中BR 内容不变，形式地址A 可变7.3(2)采用通用寄存器作基址寄存器操作数主存寻址特征ALUOPR 0AR 0作基址寄存器•由用户指定哪个通用寄存器作为基址寄存器通用寄存器R 0R n -1R 1…•基址寄存器的内容由操作系统确定•在程序的执行过程中R 0 内容不变，形式地址A 可变7.38. 变址寻址EA = ( IX ) +AOPA操作数主存寻址特征ALUIX•可扩大寻址范围•IX 的内容由用户给定IX 为变址寄存器（专用）•在程序的执行过程中IX 内容可变，形式地址A 不变通用寄存器也可以作为变址寄存器7.3例设数据块首地址为D ，求N 个数的平均值直接寻址变址寻址LDA D ADD D + 1ADD D + 2…ADD D + ( N -1 )DIV # N STA ANS LDA # 0LDX # 0INX CPX # N BNE MDIV # N STA ANS 共N + 2条指令共8条指令ADD X, DM X 为变址寄存器D 为形式地址(X) 和#N 比较(X) +1 X 结果不为零则转7.39. 相对寻址EA = ( PC ) + AA 是相对于当前指令的位移量（可正可负，补码）•A 的位数决定操作数的寻址范围•程序浮动操作数寻址特征ALUOPA相对距离A1000PC …主存1000AOP7.3(1) 相对寻址举例M 随程序所在存储空间的位置不同而不同–3*LDA # 0LDX # 0ADD X, D INXCPX # N BNE M DIV # N STA ANSM M+1M+2M+3而指令BNE与指令ADD X, D 相对位移量不变–3*指令BNE操作数的有效地址为–3*相对寻址特征*7.3(2) 按字节寻址的相对寻址举例OP 位移量2000 H2008 H 8JMP* + 8OP 06 H2000 H2008 H8设当前指令地址PC = 2000H转移后的目的地址为2008H 因为取出JMP* + 8后PC = 2002H二字节指令故JMP* + 8指令的第二字节为2008H -2002H = 06H7.310. 堆栈寻址(1) 堆栈的特点堆栈硬堆栈软堆栈多个寄存器指定的存储空间先进后出（一个入出口）栈顶地址由SP 指出–11FFFH +12000 H进栈（SP ）– 1 SP 出栈（SP ）+ 1 SP栈顶栈底2000 H SP 2000 H……1FFF H SP 1FFFH栈顶栈底进栈出栈1FFF H栈顶2000H栈顶7.3(2) 堆栈寻址举例15200HACCSP X栈顶200H栈底主存151FFHACCSP15栈顶200H栈底主存X1FFH PUSH A 前PUSH A 后POP A 前POP A 后Y 1FFHACC SPX栈顶200H栈底主存151FFH 15200HACCSP栈顶200H栈底主存X157.3(3) SP 的修改与主存编址方法有关①按字编址进栈出栈（SP）–1SP （SP）+ 1SP②按字节编址存储字长16位进栈出栈（SP）–2SP （SP）+ 2SP存储字长32位进栈出栈（SP）–4SP （SP）+ 4SP7.37.4 指令格式举例一、设计指令格式时应考虑的各种因素1. 指令系统的兼容性（向上兼容）2. 其他因素操作类型数据类型指令格式包括指令个数及操作的难易程度指令字长是否固定寻址方式寄存器个数地址码位数、地址个数、寻址方式类型操作码位数、是否采用扩展操作码技术，确定哪些数据类型可参与操作指令寻址、操作数寻址寄存器的多少直接影响指令的执行时间二、指令格式举例1. PDP –8指令字长固定12 位操作码间页地址码访存类指令235411寄存器类指令1 1 1 辅助操作码02311I/O 类指令1 1 0 设备操作码2311987.42. PDP –11源地址OP 4 6 6 16 16目的地址存储器地址1存储器地址2OP10 6 16目的地址存储器地址目的地址4 6 6源地址OP 10 6目的地址OP-CODE 16OP-CODE指令字长有16 位、32 位、48 位三种零地址(16 位)一地址(16 位)二地址R –R (16 位)二地址R –M (32 位)二地址M –M (48 位)扩展操作码技术7.43. IBM 360OP R 1R 2RR 格式8 4 4OP R 1X B D RX 格式8 4 4 4 12OP R 1R 3B D RS 格式8 4 4 4 12OP B D I SI 格式8 8 4 12二地址R –R基址加变址寻址二地址R –M 三地址R –M 基址寻址二地址M –M 基址寻址立即数–M 7.4OP B 1D 1L B 2D 2SS 格式884124124. Intel 8086(1) 指令字长(2) 地址格式1 ~ 6 个字节MOV WORD PTR[0204], 0138H 6 字节INC AX 1 字节一地址NOP 1 字节CALL段内调用3 字节零地址 5 字节段间调用寄存器–寄存器寄存器–立即数寄存器–存储器ADD AX ，BX 2 字节ADD AX ，[3048H] 4 字节ADD AX ，3048H 3 字节二地址CALL7.47.5 RISC 技术一、RISC 的产生和发展80 —20 规律 典型程序中80% 的语句仅仅使用处理机中20% 的指令执行频度高的简单指令，因复杂指令的存在，执行速度无法提高RISC （Reduced Instruction Set Computer ）CISC （Complex Instruction Set Computer ）——RISC 技术能否用20% 的简单指令组合不常用的80% 的指令功能？7.5二、RISC 的主要特征选用使用频度较高的一些简单指令，复杂指令的功能由简单指令来组合指令长度固定、指令格式种类少、寻址方式少 只有LOAD / STORE指令访存CPU 中有多个通用寄存器采用流水技术一个时钟周期内完成一条指令 采用组合逻辑实现控制器采用优化的编译程序7.5三、CISC 的主要特征系统指令复杂庞大，各种指令使用频度相差大 指令长度不固定、指令格式种类多、寻址方式多 访存指令不受限制CPU 中设有专用寄存器大多数指令需要多个时钟周期执行完毕采用微程序控制器难以用优化编译生成高效的目的代码7.5四、RISC和CISC 的比较1. RISC更能充分利用VLSI 芯片的面积2.RISC 更能提高计算机运算速度指令数、指令格式、寻址方式少，通用寄存器多，采用组合逻辑，便于实现指令流水3. RISC 便于设计，可降低成本，提高可靠性4. RISC有利于编译程序代码优化5.RISC 不易实现指令系统兼容。