计算机组成原理之指令系统

4.2.2 操作数寻址方式
4．寄存器寻址和寄存器间接寻址
寄存器寻址的特点
①压缩指令字的长度，有效解决指令码长度短与内存容量大的矛盾；
②加快指令执行速度，如RR型指令； ③可扩大寻址范围
例如8个寄存器，需3位地址，若寄存器字长16位，则@R可寻址216=64K
④寻址方式多，编程更灵活。
4.2.2 操作数寻址方式

4.1.2 地址码格式 4.1.3 指令的操作码格式 4.1.4 指令格式举例
4.1 指令
1． 概述：
（1） 指令系统 ：指挥计算机执行某种操作的命令。
：某计算机所能执行的全部指令， 称为该机的指令系统。
4.1 指令
1． 概述：
（2） 指令系统的类型
① 复杂指令系统计算机（CISC）
② 精简指令系统计算机（RISC）
A
A——显地址 AC——隐含地址，是隐含的寻址方式
优点：特别适用于只需一个地址的指令，指令字长度短。 缺点：对于两个操作数都来自内存的运算，速度慢。
4.1.2 地址码格式
4 . 零地址指令
OP
① 适用于不需操作数的指令，如 NOP、HALT等指令。 ② 在堆栈处理器中，使用零地址指令，所需操作数， 可由堆栈指针SP指出。
4.1.4 指令格式举例
1． 8位微型机的指令格式
有单字长、双字长和三字长指令
单字长指令：
双字长指令： 三字长指令：
操 作 码
操 作 码 操 作 码 操作数地址 操作数地址1 操作数地址2
每取一条指令，（PC）+
PC
=1 或 2 或 3 。
4.1.4 指令格式举例
2. PDP-11系列机的指令格式
第4章 指令系统
作者 华南理工大学 计算机学院 黄钦胜
本章内容
4.1 指令
本章重点
指令格式、功能及分类， 指令和数据的寻址方式， 堆栈及其实现， RISC和CISC的特点。
4.2 寻址方式
4.3 堆栈 4.4 CISC和RISC的指令系统 第4章 典型习题与解答
4.1 指令

概述 4.1.1 指令的基本格式
4.1.1 指令的基本格式
OP A
1. 操作码OP
用于指示指令的操作性质及功能。
2. 地址码A
指示操作数或指令的地址 A的位数越多，在内存中访问的 范围（寻址范围）越大。 通常还包含寻址方式码 。
n≥log2N 或
N≤2n
N—指令系统基本指令的 条数。 n—OP的二进制位数。
4.1.1 指令的基本格式
4.1 指令

【例4.2 】指令格式如下所示，OP为操作码字段，试分 析指令格式特点。
15 10 7 4 3 0
OP
——
源寄存器
变址寄存器Biblioteka 位移量 （16位）答：
① 双字长二地址指令； ② 操作码字段OP为6位，可以指定26＝64种操作； ③ 一个操作数在源寄存器（共16个）中，另一个操作数在内存储 器中（有效地址由变址寄存器和位移量决定），所以是RS型指令。
2． 二地址指令
op A1 A2
指令意义： （A1）OP（A2）→A1
特点
①指令码长度适中，使用方便。
②执行指令后，目的地址A1 中的操作数被运算结果所取代。
4.1.2 地址码格式
3． 一地址指令 OP
指令意义：
①对于单操作数指令 OP (A) AC AC——累加器
例如 LDA 48指令，执行(MEM)48 AC的操作。 ②对于双操作数指令 （AC）OP（A）→AC
条件码操作指令
操作码（11位）
特点 :指令长度固定，非规整型操作码结构，
典型的寄存器寻址方式。
4.1.4 指令格式举例
3. Pentium指令格式
非固定长度的指令格式（CISC结构特征）
0或1 0或1 0或1 0或1 （字节数）
指令前缀
段前缀
操作数长度
地址长度
(a) 前 缀
1或2 0或1 0或1 0,1,2,4
3. 指令字长
一条指令含有的二进制位数 。
指令字长和机器字长通常是整倍数关系。
4. 决定指令格式的主要因素
操作种类、地址个数、寻址方式。
4.1.2 地址码格式
1． 三地址指令
OP A1 A2 A3
指令意义： (A1) OP (A2) A3
优点：适用于需保留操作数的场合。
缺点：指令码长。
4.1.2 地址码格式
0.1.2.4(字节数）
操作码
Mod
2位
Reg或 操作码
3位
R/M
3位
比例 S
2位
变址 I
3位
基址 B
3位
位移量
立即数
(b) 指 令
4.1.4 指令格式举例
3. Pentium指令格式
(1) 特点
① 变字长指令（1〜12字节）；
②与Intel 80486 CPU 兼容； ③给编译程序写作者以更多灵活的编程支持。
（1） 寄存器直接寻址
15 6 5
（2） 寄存器间接寻址
4 3 2 0
OP
Mode
I
Rn
Mode—寻址方式码 ， I－间址位
地址字段给出寄存器编号，寄存器 的内容就是操作数。 当 Mode＝00 ，I=0时为直接寻址 操作数S=（Rn) 寄存器的内容为操作数的地址
Mode＝00 ，I=1， 有效地址E＝（Rn）
指令位 指令类型 单操作数指令
（固定16位的指令长度）
6 5 4 3 2 1 0
15 14 13 12 11
操 作 码
10
9
8
7
（10位）
目标地址（6位）
双操作数指令
操作码（4位） 操作码（8位）
源地址（6位）
目标地址（6位）
转移指令
位移量（8位）
转子指令
操作码（7位）
寄存器号
子程序返回指令
操作码（13位） S N Z V C
4.1.4 指令格式举例
3. Pentium指令格式
(2) 指令前缀（可选）
①指令前缀—LOCK前缀和重复前缀 LOCK—用于多CPU环境中对共享存储器的排他性访问。 重复前缀—用于字符串的重复操作—快速。 ②段取代前缀 指令使用不同的段寄存器时需指明。 ③长度取代前缀 a. 实地址模式，默认两者长度均为16位。
（2）变址间接寻址（先变址后间址） E＝((Rx)＋D)
变址间址的应用实例 ：
无条件转向含有设备码的服务程序人口
2020 200 201 202 203 2000 2020 2050 2070 ……
2000 0号设备服务程序
JMP @200，AC2；(AC2)＝设备码
操作码的位数和位置随不同指令而不同，但指令 码长度固定不变。
例 PDP-11，指令长度固定为16位。
操作码位数可有4、7、8、10、11和13位。
例：某机指令字长均为 16位，需设置二地址、一地址和零地址指令三种，每个 操作数的地址码占6位，用操作码扩展的方法设计出这三种指令的格式。
①二地址的指令格式
４.1 指令
1． 概述：
（3） 指令系统是软件、硬件之间的界面 按指令系统功能构造硬件组织； 硬件支持指令系统功能的实现； 在指令系统的基础上构造系统软件。
硬件
软件
4.1 指令
2． 对指令系统性能的要求
（1） 完备性 （2） 有效性
规整性 : 有效性 完备性 ::
包括对称性、匀齐性、指令 指编出的程序能高效率运行 要求指令系统丰富，功能 格式和数据格式的一致性。 ，占存储空间小，执行速度 齐全，使用方便。 快。
4.2 寻址方式


基本概念
4.2.1 指令的寻址方式 4.2.2 操作数寻址方式 4. 2. 3 寻址方式举例
4.2 寻址方式
1． 什么叫寻址方式？（编址、选址、定址方式） 形成操作数地址或指令地址的方法方式。
2． 术语
形式地址D —指令中给出的地址码。
有效地址E —操作数（或指令）的真实地址。
优点：操作数直观，速度快。 缺点：不便于更改，降低了程序的通用性和灵活性。
4.2.2 操作数寻址方式
2．直接寻址
地址字段直接给出操作数在内存的地址D 有效地址E＝D 操作数S＝(E)＝(D)
可寻址范围为2n个存储单元： 0〜(2n–1) n为D的位数。
优点：有效地址直观，速度较快。 缺点：可寻址范围受地址码位数所限制。
（3） 规整性
对称性：指令系统中所有的寄存器和存储单元都可同等 对待，所有指令都可使用各种寻址方式。 匀齐性：一种操作性质的指令可支持各种数据类型 。 一致性：指令的长度和数据的长度有一定的关系，以便 处理和存取，通常为字节长度的整数倍。
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，且“向上兼容”。
15 12 11 6 5 0
OP
A1
A2
指定4位OP从0000~1110是二地址指令的操作码，
故最多可有24 –1=15条二地址指令。
4位OP是1111表示非二地址指令。
例：某机指令字长均为16位，需设置二地址、一地址和零地址指令三种， 每个操作数的地址码占6位，用操作码扩展的方法设计出这三种指令的格式。
4.1.3 指令的操作码格式
每一条指令对应一个确定的操作码
1. 固定长度操作码（规整型） 操作码位数固定，而且集中于第一个字段中。
优点：有利于简化译码器的设计。
4.1.3 指令的操作码格式
例：IBM 370
指令格式1： OP
指令格式2：
OP