计算机组成技术第4章_2
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计算机组成技术
1.23
哈尔滨工业大学计算机学院
李东 教授
第4章 处理器
2. 数据寻址
堆栈寻址
采用“堆栈寻址”的前提是处理器支持 堆栈数据结构，设置有“堆栈指针寄存器SP”
。
“堆栈寻址”无须给出操作数的存储地
址，只要声明操作数采用堆栈寻址，机器就
会根据栈顶指示寄存器的内容找到栈顶单元 ，然后对栈顶单元进行弹出或压入操作。
结果的叫目的操作数(Destination Operand)。
计算机组成技术 哈尔滨工业大学计算机学院 李东 教授
1.10
第4章 处理器
4. 1. 2 指令的操作码与操作数
指令中所能表示的操作数数据类型，即
能够被计算机硬件直接辨识的操作数数据类
型，称为“数据表示”。
常用的“数据表示”有定点数（含有符号数
动加1，指向下一条指令。
跳跃寻址则是先由当前指令改写PC的内容，
然后计算机读取PC，根据PC的值访问主存储 器，取下一条指令。
计算机组成技术
1.13
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第4章 处理器
1. 指令寻址
改写PC的指令有“跳转指令(Jump )”和“分
支指令(Branch )”。在国内，“跳转指令” 常称为“无条件转移指令”，“分支指令” 常称为“条件转移指令”。 这两种指令既可直接赋予PC一个新的值，也 可在PC现有值的基础上增加或减少一定数量 。后者也称“相对寻址”或“PC相对寻址” ，其中增加或减少的数量叫做“相对位移量 ”，它是一个补码表示整数。
4. 1. 4 指令的基本功能 （2）数传指令
计算机组成技术
1.18
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第4章 处理器
2. 数据寻址
寄存器间接寻址
存储在寄存器中的是操作数的内存地址。
在读取寄存器后，要按照读取值访问内存，才
能获得真正的操作数。
优点是，通过改变寄存器中的内存地址，
可用相同的指令处理不同的数据；指令较短， 执行速度较快 。
计算机组成技术 哈尔滨工业大学计算机学院 李东 教授
计算机组成技术
1.17
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第4章 处理器
2. 数据寻址
寄存器寻址
操作数是寄存器名（即寄存器编号），指 令要处理的数据就存储在该寄存器中。 处理器的寄存器数量很少，所以寄存器 名很短，采用“寄存器寻址”的指令格式中 可以放下两个或三个寄存器地址。 优点是增加了指令中操作数的个数，增 强了指令的功能；获取操作数的速度快。
计算机组成技术
1.4
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冯· 诺依曼计算机模型 的改进：
以存储器为中心连接在一起
计算机组成技术
1.5
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第4章 处理器
4. 1 处理器的指令集 4. 1. 1 概述 人们与计算机交流所用的“词汇”叫做“指
令(Instruction)”，所有可以采用的“词汇”
计算机组成技术
1.16
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第4章 处理器
2. 数据寻址
间接寻址
指令中给出的主存地址中存放的并不是操作数，而 是操作数的内存地址。先按指令给出的地址访问主存读 出操作数的存放地址，然后再次访问主存，访问目标操 作数。 “间接寻址”的优点一是扩大了主存中操作数的寻 址范围，二是使用同一条指令可以访问/处理存放于不同 主存单元中的数据。
第4章 处理器
4. 1 处理器的指令集 4. 2 处理器的组成与工作过程
4. 3 Intel 80x86系列微处理器
4. 4 从CISC到RISC
4. 5 ARM系列微处理器
4. 6 多核处理器
计算机组成技术
1.1
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4 . 0 冯· 诺依曼计算机模型
4. 0 冯· 诺依曼计算机模型 （最初的）
冯· 诺依曼型计算机机器指令的逻辑格式
规定了指令所具有的功能。课程中 主要用汇编语言助记符表示。
计算机组成技术
1.9
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第4章 处理器
4. 1. 2 指令的操作码与操作数
一条指令中，操作数可能有一个、两个
或三个，甚至更多。
当然，操作数的个数也可以是零，即指 令没有操作数，如停机指令。 在这些操作数中，作为处理单元输入的 叫源操作数(Source Operand)，用于存放处理
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1.3
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冯· 诺依曼计算机模型 的特点（续）
4. 指令和数据均采用二进制数表示，并以二进制
数形式进行运算 。
5. 程序（指令）与数据是同等地不加区分地存储
在同一个存储器中 。 6. 设置“程序计数器PC”来指示下一条将要执行 的指令的地址。每执行完一条指令，程序计数 器就自动加1，指向下一条指令的存储单元。
组成的集合叫做“指令集 (Instruction Set)
”，这些“词汇”按照一定的顺序组合就形
成了程序(Program)。
在国内，“指令集”常称为“指令系统”。
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1.6
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第4章 处理器
4. 1. 1 概述
计算机能直接识别的是由0和1排列而成
的指令，即所谓“机器指令”。使用不方便 。 汇编语言是基于英文的机器指令助记符 。例如，某个机器指令原来用0101表示加法
计算机组成技术
1.21
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第4章 处理器
2. 数据寻址 变址寻址
为支持用循环结构处理数组/向量而提出。 寻址过程：将数组/向量的起始地址作为操作数在指 令中给出，将数组/向量的元素下标i存放在一个专门 的寄存器——变址寄存器中。指令执行时，用变址 加法器将指令中的起始地址与变址寄存器中的内容 相加，得到数组/向量元素的地址。 由于对数组/向量的访问既可能是顺序访问，又可能 是随机访问，这样只需改变变址寄存器中的i值，就 可/访问到数组/向量的任一元素。
与指令集。
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1.8
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第4章 处理器
4. 1 处理器的指令集 指令所要处理的数据。常以数据所
4. 1. 1 概述 在存储单元的地址形式给出。也称 4. 1. 2 指令的操作码与操作数 “指令地址码”。 指令操作码 （Operation Code） 指令操作数 （Operand）
运算，现在引入助记符ADD或add来表示
0101，方便了人们编写程序。
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1.7Байду номын сангаас
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第4章 处理器
4. 1. 1 概述
按汇编语言书写的程序叫做汇编语言源
程序，汇编语言源程序由汇编程序 (Assembler)转换成机器指令，供计算机接受 并执行。 后面以汇编语言的形式介绍计算机指令
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1.24
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第4章 处理器
2. 数据寻址
堆栈寻址
根据堆栈的增长方向，基于主存储器实现的堆栈分为： ① 递增堆栈，也称向上增长堆栈。随着数据的压入， 这种堆栈向高地址方向增长； ② 递减堆栈，也称向下增长堆栈。随着数据的压入， 这种堆栈向低地址方向增长。 根据SP所指示栈顶单元的属性，堆栈也可分为： ① 满堆栈。SP指示栈顶单元存储的是最后压入数据。 ② 空堆栈。SP指示栈顶单元用于接收下一个要压入的 数据。
1.19
第4章 处理器
2. 数据寻址
基址寻址
“逻辑地址”是程序员编写程序时使用的地址。 “主存物理地址”是程序段/数据段在主存中的实 际存放地址。 程序段/数据段的“逻辑地址”都是从零开始编址 的。而程序段/数据段每次装入主存的起始地址是不确
定的，每次运行时，某条指令或某个数据的“主存物理
地址”也是不确定的。但是这条指令或这个数据的“逻 辑地址”是固定的。
浮点乘法指令MULF
浮点除法指令DIVF 十进制数算术运算指令
使用这些指令时，要注意它们对 处理器中状态标志位的影响
1.27
计算机组成技术
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第4章 处理器
4. 1. 4 指令的基本功能
（1）算逻指令
逻辑指令
“与”运算指令AND “或”运算指令OR “非”运算指令NOT
移位指令
算术左移指令 算术右移指令 逻辑左移指令 逻辑右移指令 不带进位循环左移指令 带进位循环右移指令
“异或”运算指令XOR 带进位循环左移指令
位测试
位清除 位求反
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不带进位循环右移指令
1.28
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第4章 处理器
计算机组成技术
1.26
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第4章 处理器
4. 1. 4 指令的基本功能
（1）算逻指令
定点加法指令ADD 定点减法指令SUB 定点乘法指令MUL 定点除法指令DIV 加1指令INC 减1指令DEC 比较指令CMP
算术指令
浮点加法指令ADDF 浮点减法指令SUBF
2. 数据寻址
立即数寻址
在指令中直接给出操作数的数值。只要取到指令， 就可以立即处理指令中的操作数，这种操作数叫 做“立即数” 。
直接寻址 在指令中直接给出操作数内存地址。 “直接寻址”执行时间较长。另外，由于指令 长度的限制，指令中采用“直接寻址”的操作数的 个数一般不超过两个，所能寻址的范围较小。
寻址方式分为指令寻址和数据寻址。
指令寻址是为了找到下一条指令； 数据寻址是为了找到本条指令所需的操
作数。
计算机组成技术
1.12
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第4章 处理器
4. 1. 3 寻址方式 1. 指令寻址
分为顺序寻址和跳跃寻址两种。 顺序寻址就是程序计数器PC中的值就是下一
条指令的存储地址。每读取一次PC后，PC自
和无符号数）、浮点数（含单精度浮点数和 双精度浮点数）、字符、逻辑数（又称布尔 型数据）。
计算机组成技术
1.11
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第4章 处理器
4. 1 处理器的指令集 4. 1. 3 寻址方式 所谓寻址方式（Addressing）指的是指
令按照何种方式寻找或访问到所需的操作数
或信息。
计算机组成技术
1.25
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第4章 处理器
4. 1 处理器的指令集 4. 1. 4 指令的基本功能
通用计算机系统的指令集可分为5类基本指令： （1）算术/逻辑/移位指令（简称算逻指令） （2）数据传送指令（简称数传指令） （3）控制转移指令 （4）输入/输出指令 （5）处理器控制及调试指令
计算机组成技术
1.2
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冯· 诺依曼计算机模型 的特点
1. 计算机由运算器、存储器、输入/输出设备和
控制器组成，并以运算器为中心连接在一起。
2. 存储器由一组一维排列、线性编址的存储单元
组成，每个存储单元的位数是相等且固定的， 存储单元按地址访问。 3. “程序”是由一条一条的指令有序排列而成， 而指令由操作码和地址码两部分组成。
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1.14
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第4章 处理器
4. 1. 3 寻址方式 1. 指令寻址 2. 数据寻址
立即数寻址
直接寻址
寄存器寻址
寄存器间接寻址
间接寻址
堆栈寻址
基址寻址
变址寻址
计算机组成技术
1.15
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第4章 处理器
计算机组成技术
1.20
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第4章 处理器
2. 数据寻址
基址寻址
为了实现“逻辑地址”到“主存物理地址” 的转 换，可以在处理器内部设置一个专门存放程序段/数据 段在主存中起始地址的寄存器，称起始地址为“基地址 ”，简称“基址”，称该寄存器为“基址寄存器”。这 样在执行时将“逻辑地址”与基址寄存器中的值相加即 得到指令或数据的“主存物理地址”。 指令中给出的“逻辑地址”又称为相对于基址的“ 位移量”，位移量是一个有符号的整数，常用补码表示 。
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1.22
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第4章 处理器
2. 数据寻址 变址寻址
为了支持同时处理多个数组或向量，处理器可设 置多个变址寄存器。例如，8086微处理器有两个变 址寄存器，一个是存放源操作数变址值的寄存器SI， 另一个是存放目的操作数变址值的寄存器DI。此时 ，采用 “变址寻址”指令中除了要给出数组/向量的 起始地址外，还需指明使用的是哪个变址寄存器。 变址寻址还可与其他寻址方式结合使用。例如 与基址寻址结合可得到“基址变址寻址”，与“间 接寻址”结合可以得到“先变址后间接寻址”等。
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第4章 处理器
2. 数据寻址
堆栈寻址
采用“堆栈寻址”的前提是处理器支持 堆栈数据结构，设置有“堆栈指针寄存器SP”
。
“堆栈寻址”无须给出操作数的存储地
址，只要声明操作数采用堆栈寻址，机器就
会根据栈顶指示寄存器的内容找到栈顶单元 ，然后对栈顶单元进行弹出或压入操作。
结果的叫目的操作数(Destination Operand)。
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1.10
第4章 处理器
4. 1. 2 指令的操作码与操作数
指令中所能表示的操作数数据类型，即
能够被计算机硬件直接辨识的操作数数据类
型，称为“数据表示”。
常用的“数据表示”有定点数（含有符号数
动加1，指向下一条指令。
跳跃寻址则是先由当前指令改写PC的内容，
然后计算机读取PC，根据PC的值访问主存储 器，取下一条指令。
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1. 指令寻址
改写PC的指令有“跳转指令(Jump )”和“分
支指令(Branch )”。在国内，“跳转指令” 常称为“无条件转移指令”，“分支指令” 常称为“条件转移指令”。 这两种指令既可直接赋予PC一个新的值，也 可在PC现有值的基础上增加或减少一定数量 。后者也称“相对寻址”或“PC相对寻址” ，其中增加或减少的数量叫做“相对位移量 ”，它是一个补码表示整数。
4. 1. 4 指令的基本功能 （2）数传指令
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2. 数据寻址
寄存器间接寻址
存储在寄存器中的是操作数的内存地址。
在读取寄存器后，要按照读取值访问内存，才
能获得真正的操作数。
优点是，通过改变寄存器中的内存地址，
可用相同的指令处理不同的数据；指令较短， 执行速度较快 。
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2. 数据寻址
寄存器寻址
操作数是寄存器名（即寄存器编号），指 令要处理的数据就存储在该寄存器中。 处理器的寄存器数量很少，所以寄存器 名很短，采用“寄存器寻址”的指令格式中 可以放下两个或三个寄存器地址。 优点是增加了指令中操作数的个数，增 强了指令的功能；获取操作数的速度快。
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冯· 诺依曼计算机模型 的改进：
以存储器为中心连接在一起
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4. 1 处理器的指令集 4. 1. 1 概述 人们与计算机交流所用的“词汇”叫做“指
令(Instruction)”，所有可以采用的“词汇”
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第4章 处理器
2. 数据寻址
间接寻址
指令中给出的主存地址中存放的并不是操作数，而 是操作数的内存地址。先按指令给出的地址访问主存读 出操作数的存放地址，然后再次访问主存，访问目标操 作数。 “间接寻址”的优点一是扩大了主存中操作数的寻 址范围，二是使用同一条指令可以访问/处理存放于不同 主存单元中的数据。
第4章 处理器
4. 1 处理器的指令集 4. 2 处理器的组成与工作过程
4. 3 Intel 80x86系列微处理器
4. 4 从CISC到RISC
4. 5 ARM系列微处理器
4. 6 多核处理器
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4 . 0 冯· 诺依曼计算机模型
4. 0 冯· 诺依曼计算机模型 （最初的）
冯· 诺依曼型计算机机器指令的逻辑格式
规定了指令所具有的功能。课程中 主要用汇编语言助记符表示。
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4. 1. 2 指令的操作码与操作数
一条指令中，操作数可能有一个、两个
或三个，甚至更多。
当然，操作数的个数也可以是零，即指 令没有操作数，如停机指令。 在这些操作数中，作为处理单元输入的 叫源操作数(Source Operand)，用于存放处理
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冯· 诺依曼计算机模型 的特点（续）
4. 指令和数据均采用二进制数表示，并以二进制
数形式进行运算 。
5. 程序（指令）与数据是同等地不加区分地存储
在同一个存储器中 。 6. 设置“程序计数器PC”来指示下一条将要执行 的指令的地址。每执行完一条指令，程序计数 器就自动加1，指向下一条指令的存储单元。
组成的集合叫做“指令集 (Instruction Set)
”，这些“词汇”按照一定的顺序组合就形
成了程序(Program)。
在国内，“指令集”常称为“指令系统”。
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1.6
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4. 1. 1 概述
计算机能直接识别的是由0和1排列而成
的指令，即所谓“机器指令”。使用不方便 。 汇编语言是基于英文的机器指令助记符 。例如，某个机器指令原来用0101表示加法
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2. 数据寻址 变址寻址
为支持用循环结构处理数组/向量而提出。 寻址过程：将数组/向量的起始地址作为操作数在指 令中给出，将数组/向量的元素下标i存放在一个专门 的寄存器——变址寄存器中。指令执行时，用变址 加法器将指令中的起始地址与变址寄存器中的内容 相加，得到数组/向量元素的地址。 由于对数组/向量的访问既可能是顺序访问，又可能 是随机访问，这样只需改变变址寄存器中的i值，就 可/访问到数组/向量的任一元素。
与指令集。
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4. 1 处理器的指令集 指令所要处理的数据。常以数据所
4. 1. 1 概述 在存储单元的地址形式给出。也称 4. 1. 2 指令的操作码与操作数 “指令地址码”。 指令操作码 （Operation Code） 指令操作数 （Operand）
运算，现在引入助记符ADD或add来表示
0101，方便了人们编写程序。
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第4章 处理器
4. 1. 1 概述
按汇编语言书写的程序叫做汇编语言源
程序，汇编语言源程序由汇编程序 (Assembler)转换成机器指令，供计算机接受 并执行。 后面以汇编语言的形式介绍计算机指令
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1.24
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2. 数据寻址
堆栈寻址
根据堆栈的增长方向，基于主存储器实现的堆栈分为： ① 递增堆栈，也称向上增长堆栈。随着数据的压入， 这种堆栈向高地址方向增长； ② 递减堆栈，也称向下增长堆栈。随着数据的压入， 这种堆栈向低地址方向增长。 根据SP所指示栈顶单元的属性，堆栈也可分为： ① 满堆栈。SP指示栈顶单元存储的是最后压入数据。 ② 空堆栈。SP指示栈顶单元用于接收下一个要压入的 数据。
1.19
第4章 处理器
2. 数据寻址
基址寻址
“逻辑地址”是程序员编写程序时使用的地址。 “主存物理地址”是程序段/数据段在主存中的实 际存放地址。 程序段/数据段的“逻辑地址”都是从零开始编址 的。而程序段/数据段每次装入主存的起始地址是不确
定的，每次运行时，某条指令或某个数据的“主存物理
地址”也是不确定的。但是这条指令或这个数据的“逻 辑地址”是固定的。
浮点乘法指令MULF
浮点除法指令DIVF 十进制数算术运算指令
使用这些指令时，要注意它们对 处理器中状态标志位的影响
1.27
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4. 1. 4 指令的基本功能
（1）算逻指令
逻辑指令
“与”运算指令AND “或”运算指令OR “非”运算指令NOT
移位指令
算术左移指令 算术右移指令 逻辑左移指令 逻辑右移指令 不带进位循环左移指令 带进位循环右移指令
“异或”运算指令XOR 带进位循环左移指令
位测试
位清除 位求反
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不带进位循环右移指令
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4. 1. 4 指令的基本功能
（1）算逻指令
定点加法指令ADD 定点减法指令SUB 定点乘法指令MUL 定点除法指令DIV 加1指令INC 减1指令DEC 比较指令CMP
算术指令
浮点加法指令ADDF 浮点减法指令SUBF
2. 数据寻址
立即数寻址
在指令中直接给出操作数的数值。只要取到指令， 就可以立即处理指令中的操作数，这种操作数叫 做“立即数” 。
直接寻址 在指令中直接给出操作数内存地址。 “直接寻址”执行时间较长。另外，由于指令 长度的限制，指令中采用“直接寻址”的操作数的 个数一般不超过两个，所能寻址的范围较小。
寻址方式分为指令寻址和数据寻址。
指令寻址是为了找到下一条指令； 数据寻址是为了找到本条指令所需的操
作数。
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4. 1. 3 寻址方式 1. 指令寻址
分为顺序寻址和跳跃寻址两种。 顺序寻址就是程序计数器PC中的值就是下一
条指令的存储地址。每读取一次PC后，PC自
和无符号数）、浮点数（含单精度浮点数和 双精度浮点数）、字符、逻辑数（又称布尔 型数据）。
计算机组成技术
1.11
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第4章 处理器
4. 1 处理器的指令集 4. 1. 3 寻址方式 所谓寻址方式（Addressing）指的是指
令按照何种方式寻找或访问到所需的操作数
或信息。
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4. 1 处理器的指令集 4. 1. 4 指令的基本功能
通用计算机系统的指令集可分为5类基本指令： （1）算术/逻辑/移位指令（简称算逻指令） （2）数据传送指令（简称数传指令） （3）控制转移指令 （4）输入/输出指令 （5）处理器控制及调试指令
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冯· 诺依曼计算机模型 的特点
1. 计算机由运算器、存储器、输入/输出设备和
控制器组成，并以运算器为中心连接在一起。
2. 存储器由一组一维排列、线性编址的存储单元
组成，每个存储单元的位数是相等且固定的， 存储单元按地址访问。 3. “程序”是由一条一条的指令有序排列而成， 而指令由操作码和地址码两部分组成。
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4. 1. 3 寻址方式 1. 指令寻址 2. 数据寻址
立即数寻址
直接寻址
寄存器寻址
寄存器间接寻址
间接寻址
堆栈寻址
基址寻址
变址寻址
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2. 数据寻址
基址寻址
为了实现“逻辑地址”到“主存物理地址” 的转 换，可以在处理器内部设置一个专门存放程序段/数据 段在主存中起始地址的寄存器，称起始地址为“基地址 ”，简称“基址”，称该寄存器为“基址寄存器”。这 样在执行时将“逻辑地址”与基址寄存器中的值相加即 得到指令或数据的“主存物理地址”。 指令中给出的“逻辑地址”又称为相对于基址的“ 位移量”，位移量是一个有符号的整数，常用补码表示 。
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第4章 处理器
2. 数据寻址 变址寻址
为了支持同时处理多个数组或向量，处理器可设 置多个变址寄存器。例如，8086微处理器有两个变 址寄存器，一个是存放源操作数变址值的寄存器SI， 另一个是存放目的操作数变址值的寄存器DI。此时 ，采用 “变址寻址”指令中除了要给出数组/向量的 起始地址外，还需指明使用的是哪个变址寄存器。 变址寻址还可与其他寻址方式结合使用。例如 与基址寻址结合可得到“基址变址寻址”，与“间 接寻址”结合可以得到“先变址后间接寻址”等。