系统指令分析

指令系统分析

一、指令系统概述：

指令系统是指某一种计算机所有指令的集合。对计算机而言，这是一组二进制数的输入，实际上是一组电平的输入。这些输入能在一个指令周期内产生人们预先规定的动作。显然这不是一组随机的二进制数据输入。指令系统是联系硬件和软件的桥梁。指令系统对计算机的作用相当于逻辑函数表对逻辑器件（门、触发器、加法器、移位寄存器）的作用。当然指令系统要比逻辑函数表复杂得多。一种计算机指令系统设计的好坏，往往标志着该计算机功能的强弱，计算机的设计往往先从设计它的指令系统开始。

二、指令格式：

指令由操作码和操作数两部分组成，操作数可以是要被操作的数据本身（立即数），也可以是数据所在单元的地址或寄存器。指令格式包括指令长度和指令内部信息的安排等。一条长指令通常可以分成几段存放和处理，每一段的长度与微处理机的字长相等。8位微处理机是以8位二进制数（字节）为基础，MCS-51单片机采用变长指令，有单字节、双字节和三字节三种指令格式。

一字节指令（49条）

这类指令的二进制代码既包含了操作码信息，又包含了操作数信息。有两种情况：

二字节指令（46条）

这类指令的第一字节为操作码，第二字节为操作数或操作数的地址。

三字节指令（16条）

这类指令的第一字节为操作码，后跟两个字节的操作数。

三、寻址方式：

每条指令存数或取数都需要知道如何获得该数据，如何产生操作数或其地址就称作寻址。指令的寻址方式是指如何获得操作数的方法，一个指令系统的寻址方式越多，计算机的功能越强，灵活性越大。所以寻址方式的多样性和灵活性是衡量计算机性能的一项重要指标。

MCS-51 单片机有七种寻址方式。

1．寄存器寻址（Register Addressing）

在指令中指出存放操作数的寄存器，因为寄存器在片内RAM中，所以其特点是速度快。如MOV A，R0，INC DPTR，MUL AB，DEC R7等。

寄存器包括32个工作寄存器（分4组）以及部分专用寄存器。指令只能使用当前寄存器组的8个通用寄存器R0～R7，对不同寄存器组可以通过PSW 中的RS0，RS1来选择。

2．直接寻址（Direct Addressing）

指令中给出操作数的8位直接地址，可用这种寻址方式的存储空间只限于内

部RAM。在一般指令中用Direct表示直接地址。有以下三种情况：3．寄存器间接寻址(Register Indirect Addressing)

用寄存器存放操作数的地址，即用寄存器作为地址指针，但要在寄存器前面加上@以示区别。可以用作地址指针的间接寄存器只能是R0、R1和DPTR, 在一般指令中分别用@R i和@DPTR 来表示。

这种寻址方式可用于访问片内和片外RAM，不能用于访问SFR。

4．立即寻址（Immediate Addressing）

一般把在指令中直接给出的操作数称为立即数。在指令操作码的后面紧跟一个和或二个字节的操作数。但要在立即数的前面加一个# 以与直接地址区别。在一般指令格式中，立即数用# DATA或#DATA16表示。

5．变址寻址（Index Addressing）

以DPTR 或PC 寄存器作基址寄存器，用累加器A作变址寄存器，以其内容相加形成要访问字节数据的有效地址。这种寻址方式用于查表指令。

6．相对寻址（Relative Addressing）

相对寻址是将程序计数器PC的当前值与指令中给出的偏移量相加，就形成转移的目标地址。用于程序的相对转移指令，指令中给出了转移目标地址相对于程序计数器PC的位（偏）移量。位移量用一字节补码表示。最大转移地址为

-128～+127，考虑到转移指令长度为2～3 字节。所以目标地址距离转移指令地址的差为–126 ～+129（两字节）或-125～+130（三字节）。

这里PC的当前值是指执行完该转移指令后的PC中的地址值，即转移指令操作码的PC值加上该转移指令的字节数（可以是2或3）。

7．位寻址（Bit Addressing）

直接对数据位的操作称为位寻址。位寻址只能对有位地址的单元作位寻址操作。这种寻址方式实际上是一种直接寻址方式，不过其地址是位地址。

四、指令集计算机：

RISC（Reduced Instruction Set Computer，精简指令集计算机），是和CISC （Complex Instruction Set Computer，复杂指令集计算机）相对的一种CPU架构，它把较长的指令分拆成若干条长度相同的单一指令，可使CPU的工作变得单纯、速度更快，设计和开发也更简单。这项技术最先诞生于斯坦福大学和加州柏克利分校，1986年，HP公司首先应用RISC技术开发出PA-8000，主频为180MHz，MIPS公司也推出了自己的RISC处理器——R2000；次年，SUN和德州仪器合作开发的Sparc处理器问世。Sparc处理器凭借出色的性能，迅速占据了UNIX 工作站的市场。

一时间，RISC旋风刮遍整个计算机行业，被认为是以后CPU的主流架构。SUN公司也就―得陇望蜀‖，打算把Sparc处理器的市场扩大到PC领域。一方面，SUN把Sparc架构授权给包括德州仪器、富士通、东芝等多家半导体公司，扩大同盟；另一方面，SUN积极游说电脑厂商生产UNIX/Sparc（UNIX操作系统+Sparc 处理器）电脑，希望重现IBM PC所创造过的辉煌。