44机器语言的一般特征讲解

（2）指令扩展性强，便于增加新指令；
（3）指令译码电路复杂；
（4）任何短码不能为长码的前缀，确保编码 的唯一性。
例：某台计算机的指令系统中共有50条指 令，试问： （1）若采用定长编码方式，其操作码的编 码长度需要多少位？ （2）设该指令系统中有10条指令的使用概 率为90%，其余为10%，若采用不等长编 码方式，其操作码的平均长度为多少？ （3）若原指令系统采有固定长度编码，后 继产品中需增加50条指令，试设计其指 令操作码，并计算其平均长度。
§4·4
机器语言的一般特征
了解机器语言的基本概念；
掌握指令格式、寻址方式、指令字长及指
令类型对指令系统设计的影响；
会根据指令格式、指令字长及寻址方式要
求设计指令的编码。
§4·4
机器语言的一般特征
一、基本概念
1、机器指令 由0、1代码表示，计算机硬件能够识别 并直接执行的操作命令。 2、指令系统 一台计算机所有机器指令的集合，它反 映了该计算机具有的基本功能。它是软件和 硬件的主要界面。 指令系统 3、指令的执行过程 硬件 取指令 → 分析指令 → 执行指令
OP 通用寄存器 I X 偏移量D 其中I为间接寻址标志位，X为寻址模式字段，D为偏移量 字段。通过I、X、D的组合，可构成下表所示的寻址方 式，请写出表中6种寻址方式的名称。
寻址方式名称
I X 有效地址E算法 E=D E=（PC）+ - D + E=（R2） - D E=（R3） PC程序计数器 R2为变址寄存器
（3）广泛用于大、中、小型机及RISC中。 例：一台模型机有7条指令，采用定长操作码， 操作码位数为几位？应采用什么样的译码器？
四、操作码格式
2、扩展操作码
操作码的位数不固定，占据指令前面若干位。 如 PDP-11 机。
特点：
（1）常用指令用较短的操码，不常用的指令 用较长的操作码，可缩短指令操作码平均长度；
求设计指令的编码。
六、寻址方式
在程序的运行过程中，形成指令地址或 操作地址的方式。 （一）指令的寻址方式
1、顺序寻址方式：程序按其执行的先后次 序存放 在内存中，由PC提供要执行的指令 地址。
2、跳跃寻址方式：由程序控制类指令的执 行而改变原来程序的执行顺序。
（二）操作数的寻址方式
指令中提供操作数地址（或操作数）的方法。 OP 寻址特征MOD 形式地址 D D（操作数） 1、立即寻址：操作数在指令中。Data = D OP MOD
三、地址码格式
指令地址码格式中要指明一条指令操作 数地址的个数及操作数地址采用什么方式给出。
1、三地址指令
OP A1 A2 A3
功能：（A1）OP（A2）→A3
特点： （1）两个操作数均保持不变，可再次使用； （2）适用于字长较长的大、指令
OP
A1
A2
功能：（A1）OP（A2）→A1
2、CISC复杂指令系统计算机的特点 （1）指令系统复杂庞大。（200~300条） （2）寻址方式、指令格式多。 （3）指令字长不固定。 （4）可访存指令多。 （5）指令使用频率、执行时间相差大。 （6）采用微程序控制器。 Intel80486计算机有235条指令，11种寻址 方式；Pentuim有191条指令，9种寻址方 式。
三、地址码格式
4、零地址指令
OP
特点： （1）无需任何操作数； （2）所需操作数是隐含指定的。
四、操作码格式
1、定长的操作码 操作码的位数与位置固定，占据指令最前 面的几位。IBM370、VAX-11、Intel8086/8088 特点： （1）简化操作码译码器的设计，缩短指令 译码时间； （2）指令扩展性差 ；
特点： （1）操作数A1被运算结果替代； （2）适用于字长较短的小型机和微型机。
三、地址码格式
3、一地址指令
OP A
功能：OP（A）→A 特点： （1）操作数A被运算结果替代； （2）在许多微型机中，双操作数指令也采 用一地址指令格式，在指令中源操作数由地 址码A给出，另一操作数隐含在累加器AX中。 （AX）OP（A） →AX （3）适用于字长较短的小型机和微型机。
8、相对寻址
操作数的有效地址EA等于指令字中的形式 地址D与程序计数器PC中内容相加。EA= PC + D
OP MOD PC
D
内存
ALU
EA
操作数
特点：主要用于转移类指令。 指令系统中采用不同寻址方式的目的 主要是缩短指令长度，扩大寻址空间，提高 编程的灵活性。
例：一种二地址R-S型（寄存器/存储器）指令的结构如下 所示： 9 4 1 2 16
设指令字长为16位，每个地址码6位， 采用扩展操作码技术，设计12条二地 址指令100条一地址指令，100条零地 址指令。列出操作码的扩展形式，并 计算操作码的平均长度。
§4·4
机器语言的一般特征
了解机器语言的基本概念;
掌握指令格式、指令字长、寻址方式及指
令类型对指令系统设计的影响；
会根据指令格式、指令字长及寻址方式要
七、指令类型
1、数据传送类指令 2、算术/逻辑运算指令 3、程序控制类指令 4、输入/输出指令 5、其他指令
八、RISC指令系统和CISC指令系统的特点
1、RSIC精简指令系统计算机的特点 （1）指令数目较少，选使用频度高的简单指令。 （2）指令长度固定、指令格式、寻址方式种类少。 （3）只有存/取数指令访存，其余指令均在寄存器之间进 行。 （4）大部分指令在一个机器周期内完成，采用流水线技 术。每条指令的平均执行时间小于一个是时钟周期。 （5）CPU中通用寄存器数量相当多。 （6）控制器采用组合逻辑控制，不用微程序控制。 （7）采用优化的编译程序。 （8）指令功能简单使得程序代码较长，占用较多的存储 空间。 如：SPARC机只有75条指令，3种指令格式，4种寻址方 式120~136个寄存器。MIPS R4000 94/1/32
五、指令字长
3、特点： （1）指令字长为字节的整数倍； （2）指令字长越长，指令功能丰富，占用 存储空间多读取指令时间长； 练习：某计算机的指令长度为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，采用操作码扩展技术， 每种指令最多可安排几条？设计出这三种指 令的格式。
软件
二、指令格式
操作码
1、操作码
地址码
指明指令所完成的操作，其位数反映了 机器的操作种类即机器指令的条数。 操作码位数 n 与机器指令条数 m 的关系
2 n ≥ m 或 n≥log 2 m
例:某计算机有78条指令，采用等长操作码 编码需要多少位？
2、地址码 指明与操作数有关的信息，操作数、操 作数地址或运算结果地址。
E E E
= （B） =（B）+D =（I）×S+D
B为基址寄存器
I为变址寄存器，S为比例因子
E =（B）+（I）+D
基址+比例变址+偏移量 E =（B）+ （I）×S+D 相对 E =（PC）+D PC为程序计数器
例：某计算机字长16位，运算器16位，有16 个通用寄存器，8种寻址方式，主存容量为 64K字，指令中地址码由寻址方式字段和寄存 器字段组成。 （1）单、双操作数指令最各有多少条？ （2）直接寻址范围有多大？（双字长） （3）间接寻址范围有多大？ （单字长） （4）变址寻址（双字长）的范围有多大？
EA
操作数
特点：速度慢，可扩大操作数的寻址范围。
例：设指令字长和存储字长均为16位，D=8， 问直接和间接寻址时的寻址范围各为多大？
4、寄存器寻址 操作数在寄存器中，在指令中给出寄 存器号。EA=R OP MOD Ｒ Ｒ 操作数
5、寄存器间接寻址 寄存器组 操作数地址在寄存器中，在指令中给出 寄存器号。 OPMOD Ｒ
一、填空 1、指令的编码将指令分成（ ）、（ ）等字段。 2、通常指令编码的第一个字段是（ ）。 3、操作数直接出现在地址码位置的寻址方式称为（ ）寻址。 4、寄存器寻址方式中，指令的地址码位置部分给出的是（ ）， 而操作数在（ ）。 ５、直接寻址方式指令中，直接给出（ ），只需（ ）一次就 可获得操作数。 ６、寄存器间接寻址方式指令中给出的是（ ）所在的寄存器号。 ７、存储器间接寻址方式指令中给出的是（ ）所在的存储器的 地址，ＣＰＵ需要访问内存（ ）次才能获得操作数。 8、变址寻址方式中操作数的地址由（ ）与（ ）的和产生。 9、相对寻址方式中操作数的地址由（ ）与（ ）之和产生。 10、只有操作码而没有地址码的指令称为（ ）指令。
说明
0
0 0 1 1 0
00
01 10 11 00 11
E=（D）
+ E=（R1） - D R1为基址寄存器
（三）Pentium机的寻址方式
寻址方式名称 立即 寄存器 直接 E =D 有效地址E算法 说明 操作数 在指令中 操作数 在寄存器中 D为偏移量
基址 基址+偏移量 比例变址+偏移量
基址+变址+偏移量
练习：某指令系统指令字长12位，地址 码3位，试提出一种方案，使该指令系统 有4条三地址指令，8条二地址指令，150 条一地址指令，并写出它们的格式。
练习：设指令字长为16位，每个地址码 6位，采用扩展操作码技术，设计12条 二地址指令，96条一地址指令，50条零 地址指令。列出操作码的扩展形式，并 计算操作码的平均长度。
三、综合题 1、 某机字长16位，直接寻址空间为128字，变址时的位 移时为-64~+64，16个通用寄存器都可以作为变址寄存器。 设计一套指令系统，满足下列寻址类型的要求： （1）直接寻址的二地址指令3条。 （2）变址寻址的一地址指令6条。 （3）寄存器寻址的二地址指令8条。 （4）直接寻址的一地址指令12条。 （5）零地址指令32条。