第5章 指令系统的设计
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计算机硬件系统设计--(5)Instruction System-指令系统
机型 EDSAC IBM 701 CDC 6600 IBM S/360 DEC PDP-8 DEC PDP-11 Intel 8008 Motorola 6800 DEC VAX Intel 8086 Motorola 68000 Intel 80386 MIPS HP PA-RISC SUN SPARC IBM PowerPC DEC Alpha
加快经常性事件
Make the common case fast
好的设计需要适度的折衷
Good design demands good compromises
MIPS指令概述
MIPS (Microprocessor without Interlocked Pipeline Stages)
编译后的变量映射:
g
h
i
j
A[0]
$s1
$s2
$s3
$s4
$s5
循环结构
最后编译的MIPS代码:
Loop: sll $t1,$s3,2 addu $t1,$t1,$s5 lw $t1,0($t1) addu $s1,$s1,$t1 addu $s3,$s3,$s4 bne $s3,$s2,Loop
释义 固定值为0 硬件置位 汇编器保留，临时变量 函数调用返回值 4个函数调用参数 暂存寄存器，调用者按需保存 save寄存器，被调用者按需保存 暂存寄存器，同上 操作系统保留，中断异常处理 全局指针 (Global Pointer) 堆栈指针 (Stack Pointer) 帧指针 (Frame Pointer) 函数返回地址 (Return Address)
(in C) (in MIPS)
(in MIPS)
加立即数
常数相加指令
第5章 指令系统
1.立即寻址方式
寻找的操作数紧跟在指令操作码之后，也就是说 地址码字段存放的不是操作数的地址，而是操作 数本身。 立即寻址方式的特点是：指令执行的时间很短， 因为不需要访问存储器获取操作数，从而节省了 访问存储器的时间；立即寻址方式的使用范围很 有限，主要用于给寄存器赋初值。 【例5-1】 MOV AX，67 指令执行后，（AX）=67。
操作的示意图如下图所示，这条指令的执行结果为 （AX）=3412H。
存储器 操作码 操作码 AX 00H 代码段 位 移 DISP 量
01H 20000H
201A0H 12H 34H
数据段
6.基址变址寻址
操作数的偏移地址是一个基址寄存器（BX、BP） 和一个变址寄存器（SI、DI）的内容之和。基址 变址寻址方式的格式表示为：[基址寄存器名][变 址寄存器名]或[基址寄存器名+变址寄存器名]。操 作数默认位于那个段中，是由指令中使用的基址 寄存器决定的，如果指令中指定的基址寄存器是 BX，则操作数默认在数据段中，取DS寄存器的 值作为操作数的段地址值；如果指令中指定的基 址寄存器是BP，则操作数默认在堆栈段中，取SS 寄存器的值作为操作数的段地址值，从而计算得 操作数的20位物理地址，继而访问到操作数。
每条指令由两部分组成：操作码字段和地
址码字段。格式如图5-1所示：操作码操作 数（地址码）
操作码 操作数（地址码）
图5-1 指令格式
操作码字段：用来说明该指令所要完成的操作。 地址码字段：用来描述该指令的操作对象。一般是直接给 出操作数，或者给出操作数存放的寄存器编号，或者给出操作 数存放的存储单元的地址或有关地址的信息。 根据地址码字段所给出地址的个数，指令格式可分为零地 址、一地址、二地址、三地址、多地址指令。大多数指令需要 双操作数，分别称两个操作数为源操作数和目的操作数，指令 运算结果存入目的操作数的地址中去。这样，目的操作数的原 有数据将被取代。
电气控制与Plc第5章-S7-200-PLC的基本指令及程序设计
(Q0.0)
KA2
(M0.1)
KM2
(Q0.1)
KM1
(Q0.0)
KM2
(Q0.1)
KA1
(M0.0)
图5-4 电气原理图
LD M0.0 A I0.0 = Q0.0
LD Q0.0
AN M0.1
=
Q0.1
AN Q0.1
=
M0.0
(a) 梯形图
图5-5 触点串联指令编程使用举例
(b) 语句表
触点并联指令使用说明：
EXIT
5.1.2 触点串连指令
与指令：用于单个常开触点的串联连接。 指令格式：A bit
与反指令：用于单个常闭触点的串联连接。 指令格式：AN bit
例3-2 触点串联指令的应用举例。图5-4为电气原理图（已标 地址），图5-5为对应的梯形图和语句表。
KA1
(M0.0)
SB
(I0.0)
KM1
EXIT
5.1.9 逻辑堆栈操作指令
S7－200 PLC使用了一个9层堆栈来处理所有逻辑操作， 逻辑堆栈指令主要用来完成对触点进行的复杂连接，配 合ALD、OLD指令使用。
1．指令
1）逻辑入栈指令 指令格式：LPS
2）逻辑读栈指令 指令格式：LRD
3）逻辑出栈指令 指令格式：LPP
4）装入堆栈指令 指令格式：LDS n
I0.1 I0.2 Q0.1,Q0.2
(b) STL
(c) 时序图
图5-14 S/R指令使用举例
EXIT
S/R指令使用说明
➢S/R指令的操作数为：I、Q、M、SM、T、C、V、S和 L。 ➢ N的常数范围为1～255，N也可为：VB、IB、QB、 MB、SMB、SB、LB、AC、常数、*VD、*AC和*LD。 一般情况下使用常数。 ➢ 对位元件来说一旦被置位，就保持在通电状态，除非对 它复位；而一旦被复位就保持在断电状态，除非再对它置 位。
KA2
(M0.1)
KM2
(Q0.1)
KM1
(Q0.0)
KM2
(Q0.1)
KA1
(M0.0)
图5-4 电气原理图
LD M0.0 A I0.0 = Q0.0
LD Q0.0
AN M0.1
=
Q0.1
AN Q0.1
=
M0.0
(a) 梯形图
图5-5 触点串联指令编程使用举例
(b) 语句表
触点并联指令使用说明：
EXIT
5.1.2 触点串连指令
与指令：用于单个常开触点的串联连接。 指令格式：A bit
与反指令：用于单个常闭触点的串联连接。 指令格式：AN bit
例3-2 触点串联指令的应用举例。图5-4为电气原理图（已标 地址），图5-5为对应的梯形图和语句表。
KA1
(M0.0)
SB
(I0.0)
KM1
EXIT
5.1.9 逻辑堆栈操作指令
S7－200 PLC使用了一个9层堆栈来处理所有逻辑操作， 逻辑堆栈指令主要用来完成对触点进行的复杂连接，配 合ALD、OLD指令使用。
1．指令
1）逻辑入栈指令 指令格式：LPS
2）逻辑读栈指令 指令格式：LRD
3）逻辑出栈指令 指令格式：LPP
4）装入堆栈指令 指令格式：LDS n
I0.1 I0.2 Q0.1,Q0.2
(b) STL
(c) 时序图
图5-14 S/R指令使用举例
EXIT
S/R指令使用说明
➢S/R指令的操作数为：I、Q、M、SM、T、C、V、S和 L。 ➢ N的常数范围为1～255，N也可为：VB、IB、QB、 MB、SMB、SB、LB、AC、常数、*VD、*AC和*LD。 一般情况下使用常数。 ➢ 对位元件来说一旦被置位，就保持在通电状态，除非对 它复位；而一旦被复位就保持在断电状态，除非再对它置 位。
第5章 指令与指令系统和汇编语言程序设计(2)
运行过程中，可以直接看到屏幕上显示的内容，运行过后，再用D 20F0命令看内存的20F0区域中保存的运行结果，6个大写的英文字母 已经被修改为小写字母： 0061 0062 0063 0064 0065 0066
汇编语言程序设计
1 将寄存器R2和R3的内容相加，结果存入R0。 2 将寄存器R2和R3的内容相加，如果有进位，寄存器R0的内 容置1，否则置0 3 若R1的内容是负数则置R0为-1，否则置0（提示：用TEST） 4 检测R3的是奇数，R0的内容置为1，否则置为0。（提示： 用移位检测C的方法来测量一位） 5 将内存中1000H起始的10个单元的内容取出加2送入原地址。 6 已知内存中1000H起始的10个单元中的数是ASC码，将其取 出送显示。 7 将键盘录入的数存到内存1000H单元中。 8 将键盘录入的10个数存到内存1000H-1009H。
有寄存器寻址，寄存器间接寻址等7种。
从表5.1中可以看出， （A组） INC DR 单操作数（DR的内容加1） （B组） LDRR DR，[SR] 双操作数 （DR [SR]）
（4）从指令的功能区分
有运算、读写内存类指令，输入输出指令，转移 指令，子程序调用指令，置进位标志指令等。
从表5.1中可以看出， （A组） ADD DR ，SR 加运算 （B组） LDRR DR，[SR] 读写内存
41 42 43 44 45 46
A 2080
MVRD R3， 0006 ；指定被读数据的个数
MVRD R2， 20F0 ；指定被读、写数据内存区首地址
(2084) LDRR R0, [R2]
；读内存中的一个字符到R0寄存器
CALA 2100 ；调用子程序(入口地址为2100)，完成显示、
第5章 指令系统
第五章指令系统操作系统：DOS，WINDOWS，UNIX，......程序设计语言服务程序：KV300，PCTOOLS，...机器语言：汇编语言：高级语言解释执行编译执行PASCAL易教好学FORTRAN 计算C 长于计算控制BASIC易学好记COBOL事务管理应用软件：WORD，EXCEL，ACCESS，DBASE，......二进制,CPU直接执行的指令系统把源程序汇编成机器语言目标程序计算机系统软件5.1 指令系统概述计算机系统中运行的软件有系统软件和应用软件两种。
系统软件对整个计算机系统进行调度、管理、监视、服务，为用户提供使用方便，扩大机器功能，提高机器使用效率。
应用软件是用户针对某种领域实际应用需求而开发的软件。
许多通用商品化的应用软件现已成为系统软件,如Word 等。
前述所有各种软件的设计基础就是计算机的指令系统。
名词解释：指令：命令计算机直接进行某种基本操作的二进制代码串,也叫机器语言代码。
每条指令可以完成一个独立的算术运算或逻辑运算操作。
从计算机组成的层次结构来说，计算机的指令有微指令、机器指令和宏指令。
微指令是微程序级的命令，它属于硬件；宏指令是由若干条机器指令组成的软件指令，它属于软件；而机器指令则介于微指令与宏指令之间。
指令系统：一台计算机能直接理解与执行的全部指令的集合称为该机的指令系统，也叫机器语言。
指令系统是进行计算机逻辑设计和编制程序的基本依据。
它直接说明了这台计算机的功能.不同类型CPU的指令系统是不能混用与兼容的，但同一系列的CPU一般升级后指令都有扩充，并可兼容。
复杂指令系统计算机（CISC)和精简指令系统计算机（RISC)5.2指令格式5.2.1 指令的结构指令字：代表指令的一组二进制代码信息；指令长度：指令字中二进制代码的位数；1、典型的指令格式OP A操作码OP——指明操作性质的命令码，提供指令的操作控制信息。
操作对象A——说明操作数存放的地址，有时则就是操作数本身。
第五章 指令系统习题
第五章指令系统一、选择题1、采用直接寻址，操作数在中。
A、主存B、寄存器C、硬盘D、光盘2、为了缩短指令中某个地址段的位数，有效的方法是采取。
A、立即寻址B、变址寻址C、间接寻址D、寄存器寻址3、指令系统采用不同寻址方式的目的是。
A、实现存储程序和程序控制B、缩短指令长度，扩大寻址空间，提高编程灵活性C、可以直接访问外存D、提供扩展操作码的可能，并降低指令译码难度4、假设寄存器R中的数值为200，主存地址为200和300的地址单元中存放的内容分别是300和400，则方式下访问到的操作数为200。
A、直接寻址200B、寄存器间接寻址（R）C、存储器间接寻址（200）D、寄存器寻址R5、输入输出指令的功能是。
A、进行算术运算和逻辑运算B、进行主存和CPU之间的数据传送C、进行I/O设备和CPU之间的数据传送D、改变程序执行的顺序6、下列关于RISC的描述中，不正确的是。
A、只选用简单的，使用频率高的指令，所以采用RISC的CPU的性能较差，不能运行复杂的指令B、指令长度固定，指令格式和寻址方式少C、采用硬布线逻辑，提高指令执行的速度D、采用指令流水线技术，大部分指令都能在一个机器周期中完成。
7、间接寻址是指。
A、指令中直接给出操作数地址B、指令中直接给出操作数C、指令中间接给出操作数D、指令中间接给出操作数的地址8、基址寻址方式中，操作数的有效地址等于。
A、基址寄存器的内容加上形式地址（偏移量）B、变址寄存器的内容加上形式地址（偏移量）C、程序计数器的内容加上形式地址（偏移量）D、堆栈寄存器的内容加上形式地址（偏移量）8．通常指令编码的第一个字段是__ __A.操作B.指令C.操作码D.控制码9．堆栈常用于 _A.程序转移B.输入输出C.数据移位D.保护程序现场10.在堆栈中保持不变的是_ _A.栈指针B.栈底C.栈顶D.栈中数据11．设寄存器R=1000，地址1000处的值为2000，2000处为3000，PC的值为4000，用相对寻址方式，-2000（PC）的操作数是__ __A．4000 B．3000C．5000 D．700012．直接转移指令的功能是将指令中的地址代码送入__ __A．PC B．累加器C．存储器 D．地址寄存器13．以下的 D 不能支持数值处理。
第 5 章 指令系统
2013-11-23
25
• 一地址指令长度短，指令执行速度快 （若A为存储器地址，只需一次访存取 数），对于字长较短的微、小型机，是 一种常用的指令格式。
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26
5．零地址指令
• 零地址指令中只有操作码而无地址码，其指令 格式为； OP
• 零地址指令有两种情况： • ① 不需操作数的控制型指令，如HALT、WAIT、 NOP等。 • ② 运算型零地址指令：操作数隐含在堆栈中。
2013-11-23 15
• 三地址指令格式：
OP A1 A2 A3
• • • • •
A1：第一源操作数的存储器地址或寄存器地址； A2：第二源操作数的存储器地址或寄存器地址； A3：存放操作结果的存储器地址或寄存器地址； 三地址指令功能为： (A1)OP(A2)→A3； PC 指示下条指令地址
2013-11-23
2013-11-23 29
2) 变长编码
• 变长编码的指令操作码：不同指令的操作码长度 不完全相同，操作码的位数不固定，分散地放在 指令字的不同位置上。 • 变长编码操作码的特点： • 可用较短的指令字长表示更多的操作类型，寻址 较大的存储空间。 • 操作码的位数不固定，且位置分散，增加了指令 译码与分析的难度，使硬件设计复杂化。 • 在早期的微、小型机中，由于指令字较短，均采 用变长编码的指令操作码。如Intel 8086、PDP一 11等机器。
2013-11-23 32
0000 xxxx xxxx xxxx 15条三地址指令 1110 xxxx xxxx xxxx 1111 0000 xxxx xxxx 15条二地址指令 1111 1110 xxxx xxxx 1111 1111 0000 xxxx 15条单地址指令 1111 1111 1110 xxxx 1111 1111 1111 0000 16条零地址指令 1111 1111 1111 1111 2013-11-23 33
第五章指令系统
教学内容安排•第一章绪论•第二章数码系统•第三章运算方法和运算器•第四章存储系统•第五章指令系统•第六章中央处理器•第七章输入输出设备•第八章输入输出系统第五章指令系统5.1 基本概念5.2 指令格式5.3 寻址方式5.4 指令的种类5.5 指令系统的发展教学重点和难点•寻址方式第五章指令系统 5.1 基本概念•指令（Instruction）:计算机的硬件（CPU）设计好以后它能直接识别并执行的基本操作。
•指令系统（Instruction Set）或指令集:某个CPU能够直接识别并执行的所有指令的集合。
•指令字长:指令的二进制代码的位数。
注意：指令系统均针对特定的CPU而言，不同的CPU它们的指令系统可能不相同或不完全相同。
第五章指令系统5.1 基本概念5.2 指令格式5.3 寻址方式5.4 指令的种类5.5 指令系统的发展教学重点和难点•寻址方式第五章指令系统 5.2 指令格式任何一条机器指令是机器语言的一个语句，它由一组二进制代码构成。
包括两部分：•操作码•地址码第五章指令系统 5.2 指令格式根据地址码所给出的地址的个数,可以把指令分为零地址指令,一地址指令,二地址指令,三地址指令,和多地址指令。
第五章指令系统 5.2 指令格式指令字长与机器字长•指令的长度取决于操作码的长度和地址码的长度。
任何一条指令构成一个指令字。
•一个指令字中所包含的二进制数码的位数称为指令字长度。
•机器字长是指计算机的运算部件一次能直接处理的二进制数据的位数。
•指令长度与机器字长没有固定的关系,指令长度可以小于或大于机器的字长。
如单字长，半字长，双字长甚至4字长指令都是可取的。
•例如Intel8086的机器字长是16位，而指令字长最短的有8位，最长的有48位。
第五章指令系统 5.2 指令格式8086 微处理器的存储器管理•Intel 8086是字长16位的处理器，地址线20根，按字节编址，最大存储容量为1MB。
地址范围是00000H－FFFFFH。
PLC编程与应用第2版习题答案第5章 指令系统
第五章指令系统
1、S7-1200提供了哪些类型的定时器？
2、编写程序来记录一台设备的运行时间，其设计要求为：当输入I0.0为高电平，设备运行，当I0.0为低电平时，设备不工作。
3、编写程序实现以下控制功能：第一次扫描时将VB0清零，用定时中断0，每100ms将VB0加1，VB0=100时关闭定时中断，并将Q0.0立即置1，设计主程序和中断程序。
4、设计一个8位彩灯控制程序，要求彩灯的移动速度和移动方向可调。
6、将8个16位二进制数存放在VW10开始的存储区内，在I0.3的上升沿，用循环指令求它们的平均值，并将结果存放在VW0中。
7、设计一个圆周长的计算程序，将半径存放在VW10中，取圆周率为3.1416，用浮点数运算指令计算圆周长，运算结果四舍五入后，转换为整数，存放在VW20中。
8、S7-1200包括哪些中断指令？。
5第五章 应用指令及高功能指令简介
2．MCRO指令
宏MCRO指令允许用一个单一子程序代替数个具有相同的结构但不同操作数的子程序。
执行过程（CP1H）
N：子程序号 S：输入开始字 CPM1A：232CH ~235CH CP1H：A600CH ~A603CH D：输出开始字 CPM1A：236CH~239CH CP1H: A604CH~A607CH
CP1H机型梯形图
CPM1A机型梯形图
2. MOVB和XFRB指令
C:0C05控制字
MOVB根据控制字C的控制，传送指定通道所指定的多个位到目的通 道
例
XFRB指令是传送指定通道所指定的多个位 到目的通道
n: 传送位数
m:目的通道开始位 I:源通道开始位
例
C:1406H控制字
3. MOVD和XFER指令
例
D1的数据大于20或小于5
D1的数据大于等于5且小于等于20
例 5.3 设计一个定时控制电路，从驱动接点闭合 开始计时， 6s 后，输出线圈 100.00 得电； 10s 后， 输出线圈100.01 也得电； 20s 后，两线圈均失电。
使用3个定时器
使用CMP指令
使用符号比较指令
例 5.4 使用符号比较指令设计图3-49皮带运 输机的顺序起动和紧急停止控制。
梯形图符号
例：双按钮多位起动停止控制
用八个起动按钮（0.00~0.07）、八个停止按钮（1.00~1.07） 来分别控制八个输出线圈（100.00~100.07）
从一个启动、一个停止、 一个输出出发
100.00 (0.00 100.00)1.00
100CH (0CH 100CH)1CH
启动KM1 和15秒定时器
150-60=90
指令系统
3. 60年代出现了系列(series)计算机。 原因:为了继承已有的软件，减少软件的开发费用. 系列计算机：是指基本指令系统相同，基本体系结构相同 的一系列计算机。 如IBM370系列，VAX—11系列，IBMPC(XT／AT／286 ／386／486／Pentium)微机系列等。 优点:在旧机种上运行各种软件可以不加任何修改地在 新机种上运行。（向下兼容）
二 .地址码结构
计算机执行一条指令所需要的全部信息都必须包含在指令 中，对于一般的指令来说，除去操作码(OP)之外，指令还应 包含以下信息： (1)第一操作数地址，用A1表示 (2)第二操作数地址，用A2表示 (3)操作结果存放地址，用A3表示 (4)下条将要执行指令的地址，用A4表示 这些信息可以在指令中明显给出，称为显地址，也可依照 某种事先的约定，用隐含方式给出，称为隐地址。 下面介绍几种指令格式。
为了解决这个问题，在70年代末人们提出了便于VLSI实现 的精简指令系统计算机，简称RISC(精简指令系统计算机)。 CISC：Complex instruction set computer RISC: reduced instruction set computer
5.2 指令格式
计算机的指令格式与机器的字长、存储器的容量 及指令的功能都有很大的关系。
指令的长度与机器的字长没有固定的关系，
它既可以小于或等于机器的字长，也可以大于机器 的字长。前者称为短格式指令，后者称为长格式指 令，一条指令存放在地址连续的存储单元中。 在同一台计算机中可能既有短格式指令又有长 格式指令，但通常是把最常用的指令( 如算术逻辑运 算指令、数据传送指令 ) 设计成短格式指令，以便节 省存储空间和提高指令的执行速度。
例.（方法一） 指令字长16位，可含有3、2、1或 0个地址，每个地址占4位。（见教材P130~131） 操作码 地址码
第五章 PLC基本指令系统----计数器+典型案例
1L
Q0.0 Q0.1
Q0.2
Q0.3
S7200 CPU 222
1M
I0.0
I0.1
M L+
DC 24V
停止按钮SB1 启动按钮SB2
脉冲的上升沿（由0到1）信号时，计数器的当前值减1。当计数器当前值等于或大于设定值 （PV）时，该计数器位被置1。当复位输入端（R）有效或用复位指令（R）对计数器执行复 位操作时，计数器被复位，即计数器位为0，且当前值清零。
《第5章 PLC基本指令系统》
五、S7-200 PLC的基本指令
11. 计数器指令
《第5章 PLC基本指令系统》
六、典型控制环节的PLC程序设计 2、大功率电动机的星-三角减压起动控制程序
输入信号
停止按 I0.0 钮SB1
起动按 I0.1 钮SB2
输出信号 接触器 Q 0.1 KM1
接触器 Q 0.2 KM2
接触器 Q 0.3 KM3
FR
KM1
KM2
KM3
~
KM3
KM2
1L
Q0.0 Q0.1
《第5章 PLC基本指令系统》
五、S7-200 PLC的基本指令
12. 比较指令
比较指令是将两个数值或字符串按指定条件进行比较，比较条件成立时，比较触点就闭合。 所以比较指令实际上也是一种位指令。
类型： 按两个操作数的数据类型分：字节比较、整数比较、双字整数比较和实数比较。 比较指令的运算符有6种： ==(等于)、>(大于)、>=(大于等于)、<(小于)、<=(小于等于) 和 <>(不等于)。
C21当前值 0
C21位
//计数值为0时接通Q0.0
第5章 指令系统
南京理工大学紫金学院计算机系 陈琳琳
3）间接寻址 ）
指令字地址码部分给出的是操作数地址的地址 指 指令字地址码部分给出的是操作数地址的地址/指 操作数地址的地址 示操作数地址的地址指示字。 示操作数地址的地址指示字。
操作码 OPMOV 寻址方式 形式地址 AX， ， 间接寻址 @1000H A 主存 A
10）其他寻址方式 ） 扩展寻址、页面寻址、堆栈寻址、相联寻址等。 扩展寻址、页面寻址、堆栈寻址、相联寻址等。
A1、A2均为寄存器地址的
寄存器-存储器型（ 寄存器 存储器型（R-S型）指令 一个半地址指令 存储器型 型 指令/一个半地址指令
A1、A2中一个是寄存器地址，另一个是存储器地址 中一个是寄存器地址，
南京理工大学紫金学院计算机系 陈琳琳
一地址指令/ ④ 一地址指令/单地址指令
AC
OP OP A1
第一源操作 数的地址
南京理工大学紫金学院计算机系 陈琳琳
9）基址加变址寻址 ）
指令字中的地址码部分所指定的基址寄存器的内 指令字中的地址码部分所指定的基址寄存器的内 变址寄存器的内容及指令字中的 指令字中的形式地址相 容、变址寄存器的内容及指令字中的形式地址相 形成操作数的有效地址。 加形成操作数的有效地址。
MOV AX, [BX+DI+100H] EA = (BX) +(DI) +100H
2. 操作数的寻址方式
形式地址——指令中给定的地址 指令中给定的地址 形式地址 有效地址EA——操作数在主存中的实际地址 操作数在主存中的实际地址 有效地址 操作数在 1）立即寻址——给寄存器 存储器单元赋值 ）立即寻址 给寄存器/存储器单元赋值 给寄存器
指令所需的操作数在指令字的地址码部分直接给出 操作码 OP MOV 寻址方式 形式地址 AX， ， 立即寻址 2000H D 取指令的同时取操作数， 取指令的同时取操作数，速度快 D的位数限制了数据范围 的位数限制了数据范围
计算机组成原理 [袁春风]chap5homework
![计算机组成原理 [袁春风]chap5homework](https://img.taocdn.com/s3/m/6f4c4b9adaef5ef7ba0d3ccd.png)
参考答案: 直接地址：7位；变址位移量：7位；R：4位 最后还剩29-32=480种代码未用。
6 南京大学计算机系 多媒体技术研究所 袁春风
(1)
南京大学计算机系 多媒体技术研究所 袁春风
4
第一次作业解答
(3)
若存于程序计数器中的地址标记为x1,存于x1中的指令的地 址部分是x2，执行此指令所需的操作数存于地址为x3的存 储器字中。变址寄存器有值x4。若此指令的寻址方式是(a) 直接，(b)间接，(c)PC相对，(d)变址，上述这些量之间的 关系是什么？ 参考答案：
5 南京大学计算机系 多媒体技术研究所 袁春风
第一次作业(2001/5/29)解答
(5)什么是RISC？它有何优点？ 参考答案：(略) (6) 字长16位，存储器直接空间128字，变址位移量为
+63～-64，16个通用寄存器均可作变址寄存器，直 接寻址的二地址指令3条；变址寻址的一地址指令6 条；寄存器直接寻址的二地址指令8条；直接寻址 的一地址指令12条；不需地址的指令32条。 问：还有几种代码未用？
第5章 指令系统作业
南京大学计算机系 多媒体技术研究所 袁春风
1
第一次作业(2001/11/23)
书中习题1、2、5、9、10 (2) 解释下列名词： 机器语言 指令集 操作码 地址码 助记符 汇编程序(器) 大端序 小端序 边界对齐 CISC RISC (3) 若存于程序计数器中的地址标记为x1,存于x1中的指令的地 址部分是x2，执行此指令所需的操作数存于地址为x3的存 储器字中。变址寄存器有值x4。若此指令的寻址方式是(a) 直接，(b)间接，(c)PC相对，(d)变址，上述这些量之间的 关系是什么？ (4) 一条PC相对方式的转移指令存于地址为620的存储器中。 它要转移到530的位置上。指令中的地址字段是10位长，其 二进制值是多少？
05 指令系统
复位定时器指令
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第 5章
STEP 7中的S5计数器
STEP 7中的计数器有三类：加计数器CTU， 减计数器CTD和加减计数器CTUD。
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第 5章
加计数器及其时序图
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第 5章
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第 5章
点对点指令
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第 5章
点对点指令
青岛大学-西门子先进自动化技术联合实验室
49
第 5章
中断指令
附加和分离指令
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第 5章
启动和取消延时中断指令
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第 5章
禁用和启用报警中断指令
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第 5章
字逻辑运算指令
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第 5章
移位和循环指令
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第 5章
[例] 通过循环指令实现彩灯控制。 编写程序如图5-30所示，其中I0.0为控制开关， M1.5为周期为1s的时钟存储器位，实现的功能为当 按下I0.0，QD4中为1的输出位每秒钟向左移动1位。 第1段程序的功能是赋初值，即将QD4中的Q7.0置 位，第2段程序的功能是每秒钟QD4循环左移一位。
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第 5章
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第 5章
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DSP课件第五章TMS320LF240x汇编指令系统
ZLVC ZLVC 两个4位字段，每位表示以下条件：
ACC=0---Z；ACC<0---L；溢出---V；进位---C
+1word 双字操作码的第2个字。包含16位常数。根据指令不同该
常数可能是长立即数、程序存储器地址、I/O端口或I/O映
射的寄存器地址。
2021/3/5
5
4.2 指令句法描述
例8：ADDS 6 例9：ADDS *
；设DP=5，则数据存储器地址为280h~2FFh， （ACC）+（数据存储器286h）→ ACC
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5、加法指令ADDT 句法： ADDT dma
ADDT ind[,ARn] 功能：将被寻址的数据存储器单元的内容左移0~15位后与累加器的内容相
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例6：ADDC DAT300 例7：ADDC *-,AR4 ；（设OVM=0），将当前AR指定的数据存储
单元的内容与累加器的内容及进位位相加 后送累加器，并将当前AR的内容减1，然 后将AR4指定为下次的辅助寄存器。
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4、加法指令ADDS 句法： ADDS dma
ADDC ind[,ARn] 功能：将被寻址的数据存储器单元的内容与累加器的内容及进位位相 加，
结果送至累加器。
操作: ①（PC）+1→PC； ② (ACC) +（数据存储器地址）+（C）→ ACC
状态位：影响C和OV位，受OVM状态位影响，不受SXM影响。若相加结果产 生进位，则C=1，否则C=0。
令要求修改当前辅助寄存器和ARP的内容. 操作： ①pma→PC (pma可以是符号地址或数值地址)；
②按指令要求修改当前AR和ARP。 例17： B 16
第5章指令系统-2
人员按复位按钮I0.1后，如果故障已经消失，则指示灯熄灭，如果没有消失， 则指示灯转为常亮，直至故障消失。注： M1.5为CPU的时钟存储器MB1的 第五位，其时钟频率为1HZ.
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第5章 S7-1200 基本指令
5.1 基本指令
例5-1：顺-SB1 (stop1) I0.1---SB2 (start1) I0.2---SB3 (stop2) I0.3---SB4 (start2) I1.2---FR1 I1.3---FR2 Q0.0—KM1(M1) Q0.1—KM2(M2) 一对启动和停止按钮，顺序启动多台电机之后能否顺序停止？
I0.0 Q0.3
Q0.4
Q0.5 Q0.6
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第5章 S7-1200 基本指令
5.1 基本指令 ----- 位逻辑指令
【例2-2】抢答器设计
有I0.0，I0.1 和I0.2三个抢答输入，对应输出分别为Q4.0， Q4.1和 Q4.2。 要求：三人任意抢答，谁先按动瞬时按钮，谁的指示灯优先亮，且只能亮一 盏灯，进入下一个问题时，主持人按复位按钮，抢答重新开始。
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第5章 S7-1200 基本指令
主要内容回顾
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第5章 S7-1200 基本指令
三、边沿指令
例3-3 按动一次瞬时按钮I0.0，输出Q4.0亮，再按动一次按钮，输出Q4.0灭，
重复以上过程。
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第5章 S7-1200 基本指令
例3-4 若故障信号I0.0为1，使Q4.0控制的指示灯以1HZ的频率闪烁。操作
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第5章 S7-1200 基本指令
5.1 基本指令
例5-1：顺-SB1 (stop1) I0.1---SB2 (start1) I0.2---SB3 (stop2) I0.3---SB4 (start2) I1.2---FR1 I1.3---FR2 Q0.0—KM1(M1) Q0.1—KM2(M2) 一对启动和停止按钮，顺序启动多台电机之后能否顺序停止？
I0.0 Q0.3
Q0.4
Q0.5 Q0.6
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第5章 S7-1200 基本指令
5.1 基本指令 ----- 位逻辑指令
【例2-2】抢答器设计
有I0.0，I0.1 和I0.2三个抢答输入，对应输出分别为Q4.0， Q4.1和 Q4.2。 要求：三人任意抢答，谁先按动瞬时按钮，谁的指示灯优先亮，且只能亮一 盏灯，进入下一个问题时，主持人按复位按钮，抢答重新开始。
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第5章 S7-1200 基本指令
主要内容回顾
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第5章 S7-1200 基本指令
三、边沿指令
例3-3 按动一次瞬时按钮I0.0，输出Q4.0亮，再按动一次按钮，输出Q4.0灭，
重复以上过程。
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第5章 S7-1200 基本指令
例3-4 若故障信号I0.0为1，使Q4.0控制的指示灯以1HZ的频率闪烁。操作
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指令格式
操作码字段（OP） 固定字长（RISC） 扩展字长（PDP-11）
5.3 机器指令的格式
地址码字段（A） 无地址 一地址 二地址 多地址
交叉安排（NOVA）
操作码长度固定：便于硬件设计，指令译码时间短， 操作码长度不固定：可有效地压缩操作码的平均长度， 广泛应用于字长较长的、大中型计算机和超级小型计 在字长较短的微机中被广泛采用。如PDP-11，
算机以及 RISC 中。如IBM370和VAX-11系列机，操 Intel80X86 等。 作码长度均为8位。
指令的字长
5.3 机器指令的格式
指令长度 = opcode长度 + ∑（操作数地址码长度）
字长
CPU一次能处理的二进制位数，与机器的功能和用途有关 字长的重要性
（1）决定了计算机的精度，字长大 精度高
第五章 指令系统的设计
1 2 3 指令系统的作用和性能要求 机器指令的设计要素
指令的基本格式
操作类型和操作数类型 指令寻址方式和操作数寻址方式 CISC和RISC的指令系统
4
5
6ห้องสมุดไป่ตู้
掌握：指令格式、数据的表示、指令和数据的寻址
方式、指令的种类等。 理解：设置各类指令应考虑的因素。 了解：指令系统的发展、RISC指令系统的特点，对
操作码的扩展技术
OP 0000 0001 …… 1110 A1 A1 A1 A1 A2 A2 A2 A2 A3 A3 A3 A3 1111 1111 …… 1111 1111 1111 1111 0000 0001 1110 A1 A1 A1
四位操作码,15条三地址指令 1111 1111 …… 1111 0000 0001 1110 A1 A1 A1 A2 A2 A2
地址结构
指令中提供地址的方式
5.3 机器指令的格式
显示地址方式：指令中明显指明地址（直接或间接给 出） 隐式地址方式：地址隐含约定，不出现在指令中。使 用该方式可以减少指令中的地址数，简化地址结构
（2）地址码的长度决定了指令的直接寻址能力，n2n 扩大寻址能力的方法 （1）增加地址码的长度 （2）地址扩展 ① 存储空间分段 ② 基址 + 位移量
一些概念
5.3 机器指令的格式
机器字长：计算机能直接处理的二进制数据的位数 。 指令字长：一个指令字中包含二进制代码的位数： 单字长指令：指令字长等于机器字长的指令； 半字长指令：指令字长等于半个机器字长的指令； 双字长指令：指令字长等于两个机器字长的指令 。 在一个指令系统中，如果各种指令字长度是相等的，称为等长 指令字结构，它们可以都是单字长指令或半字长指令。这种指 令字结构简单，且指令字长是不变的。 如果各种指令字长随指令功能而异，比如有的指令时单字长指 令，有的指令时双字长指令，就称为变长指令字结构。这种指 令字结构灵活，能充分利用指令长度，但指令的控制较复杂。
对汇编程序的方便程度和运行效率密切相关。 从计算机组成的层次结构来说，计算机的指令有微指令、 机器指令和宏指令之分。
5.1指令系统的作用和性能要求
计算机的指令
微指令：微程序级的命令，它属于硬件； 宏指令：由若干条机器指令组成的软 件指令，它属于软件 ； 机器指令（指令）：介于微指令与宏指令之间，每 条指令可完成一个独立的算术运算或逻辑运算；
I4 I5 I6 I7
5 3 1 1
1100 1101 1110 1111
4 4 4 4
例题
一台模型机共有7条指令，主频25MHz，各指令的使用频率与CPI如 下。该模型机有8位和16位两种指令字长，采用2-4扩展操作码。8位 字长指令为寄存器（R－R）二地址类型，16位字长指令为寄存器－ 存储器（R－M）二地址变址寻址类型（-128<=变址范围<=127）。 指令（字长） 使用频度f CPI I1（8位） 35% 1 I2（8位） 25% 2 I3（8位） 20% 2 I4（16位） 10% 2 I5（16位） 5% 1 I6（16位） 3% 2 I7（16位） 2% 2 （1） 计算该机的MIPS速率。（2） 计算操作码的平均码长。（3） 该机允许使用多少个可编址的通用寄存器，多少变址寄存器？（4） 设计该机的两种指令格式，标出各字段位数并给出操作编码。
十二位操作码,15条三地址指令 1111 1111 …… 1111 1111 1111 1111 1111 1111 1111 0000 0001 1111
八位操作码,15条二地址指令
十六位操作码,16条零地址指令
除了上述扩展方式外,还有其他多种扩展方式.如15条三地址指 令,14条两地址指令,31条一地址指令和6条零地址指令.在可变 长度的指令系统设计中,到底使用哪种扩展方法,衡量原则是使 用频度。还要考虑规整性，指令长度是字节的整数倍。 指令 I1 I2 I3 概率Pi(%) 45 28 17 操作码 00 01 10 操作码长度(位) 2 2 2
性能要求
5.1指令系统的作用和性能要求
1、完备性：指指令系统直接提供的指令足够使用，而不必用 软件来实现，编程方便。 2、有效性：是指利用该指令系统所编写的程序能够高效地运 行。程序占据存储空间小、执行速度快。 3、规整性： 对称性：所有的指令都可使用各种寻址方式； 匀齐性：指令可以支持各种数据类型； 指令格式和数据格式的一致性：指令长度和数据长度有 一定的关系，以方便处理和存取。 4、兼容性：即低档机上运行的软件可以在高档机上运行。 都满足有难度，但可以指导我们设计出更高质量的指令系统。
5.1指令系统的作用和性能要求
指令集应考虑的因素
（1）操作指令表:应提供多少和什么样的操作，
操作的复杂程度；
（2）数据类型：所支持的数据类型； （3）指令格式：指令的（位）长度、地址数目、 各个字段的大小等； （4）寄存器：能被指令访问的CPU寄存器数目
以及它们的用途；
（5）寻址方式：指定操作数地址的产生方式。
指令系统的设计有一个清晰的认识。
学时：4学时。
5.1指令系统的作用和性能要求
指令系统的作用
计算机的程序是由一系列的指令组成的，指令就是要计
算机执行某种操作的命令 ，是计算机操作运行、程序人
员使用计算机的最小功能单位。一台计算机所提供的全 部指令构成该计算机的指令系统。指令系统设计、安排
好坏，对计算机硬件的复杂程度、运行性能有直接影响，