指令系统
指令系统的组成
指令系统的组成一、指令系统的概述指令系统是计算机硬件与软件之间的桥梁，用于指导计算机执行任务。
它由一系列指令组成，这些指令是计算机能够理解和执行的基本操作。
指令系统是计算机体系结构的重要组成部分，直接影响计算机的性能和功能。
二、指令的分类指令可以根据其功能和操作类型进行分类。
1. 数据传输指令数据传输指令用于将数据从一个地方传送到另一个地方。
它们可以从内存读取数据到寄存器，也可以将数据从寄存器写入内存。
数据传输指令是计算机中最基本和最常用的指令之一。
2. 算术运算指令算术运算指令用于执行各种数学运算，如加法、减法、乘法和除法。
这些指令可以对寄存器或内存中的数据进行运算，并将结果存储在指定的位置。
3. 逻辑运算指令逻辑运算指令用于执行逻辑运算，如与、或、非和异或。
它们通常用于比较和判断操作，根据运算结果来决定程序的流程。
控制指令用于控制程序的执行流程，如跳转、分支和循环。
它们可以改变程序的执行顺序，使程序能够根据条件进行不同的操作。
5. 输入输出指令输入输出指令用于与外部设备进行数据交换，如键盘、鼠标、显示器和打印机。
它们负责将数据从外部设备读取到内存或将数据从内存输出到外部设备。
三、指令的格式指令通常由操作码和操作数组成。
1. 操作码操作码是指令的基本操作类型，用于指示计算机执行何种操作。
操作码的种类与计算机的指令集有关，不同的计算机体系结构可能有不同的操作码。
2. 操作数操作数是指令所操作的数据。
它可以是一个立即数，也可以是一个寄存器或内存地址。
指令根据操作数的类型和个数来确定操作的对象和结果。
四、指令的执行过程指令的执行过程通常包括指令获取、指令解码和指令执行三个阶段。
指令获取是指从内存中获取指令的过程。
计算机通过程序计数器(PC)来确定下一条要执行的指令的地址，并将该地址发送给内存控制器，从而获取指令的二进制表示。
2. 指令解码指令解码是指将获取的指令解析成可执行的操作。
计算机根据指令的操作码来确定具体的操作类型，并根据操作数的类型和个数来确定操作的对象和结果。
第4章 指令系统
存取。
二、对指令系统性能的要求三
4、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，因而指令系统是 兼容的，即各机种上基本软件可以通用。但 由于不同机种推出的时间不同，在结构和性 能上有差异，做到所有软件都完全兼容是不 可能的，只能做到“向上兼容”，即低档机 上运行的软件可以在高档机上运行。
a、CISC：70年代后，大多数计算机的指 令系统多达几百条。我们称这些计算机 为复杂指令系统计算机(CISC)。
b、RISC：但是如此庞大的指令系统难以 保证正确性，不易调试维护，造成硬件 资源浪费。为此人们又提出了便于LSI技 术实现的精简指令系统计算机（RISC） 返回
二、对指令系统性能的要求一
4.4、指令和数据的寻址方式
一、指令的寻址方式 二、操作数寻址方式
三、寻址方式举例
一、指令的寻址方式一
1、寻址方式:形成操作数有效地址或指令 有效（偏移）地址的方式。 2、寻址方式分为两类，既指令寻址方式和 数据寻址方式。 3、指令的寻址方式有两种，一种是顺序寻 址方式，另一 种是跳跃寻址方式。 4、操作数或指令在存储器中的地址：某个 操作数或某条指令存放在某个存储单元 时，其存储单元的编号就是地址。请看 图示
答案：
退 出 上一页 下一页 上一节 下一节 返回节目录
例三答案：
三、低级语言与硬件结构的关系
高级语言 低级语言
Visual c++、foxpro、java
与软件结构和指令系统无关 编写的程序可在不同机器上 运行
汇编语言、二进制语言
与机器、指令系统密切相关 编写的指令系统不同，不同
机器用不同汇编语言编写程 序，机器唯一可识别的是二
指令系统
第 4 章 指令系统华南理工大学 黄钦胜 编 本章重点： 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 RISC 的特点。
4.1 指令1． 概述：（1） 指令系统 指令：指挥计算机执行某种操作的命令。
指令系统：某计算机所能执行的全部指令，称为该机的指令系统。
（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 （3）指令系统与软硬件的关系 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。
2． 对指令系统性能的要求指令系统的设计是计算机系统设计中的一个核心问题。
（1） 完备性： 要求指令系统丰富,功能齐全，使用方便。
（2） 有效性： 指编写出的程序能高效率运行，占存储空间小，执行速度快。
（3）规整性： 包括对称性、匀齐性、指令格式和数据格式的一致性。
①对称性：指令系统中所有的寄存器和存储器单元都可同等对待，所有指 令都可使用各种寻址方式。
②匀齐性：一种操作性质的指令可支持各种数据类型。
③一致性：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。
④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， 而且“向上兼容” 。
4.1.1 指令的基本格式OP 操作码字段 A 操作数地址字段1． 操作码 OP——用于指示指令的操作性质及功能。
n≥log2N 或 N≤2n 式中，N——指令系统基本指令的条数。
n——OP 的二进制位数。
2． 地址码 A——指示操作数或指令的地址。
A 的位数越多，访问内存的范围（寻址范围）越大。
通常还包含寻址方式码。
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。
名词解释指令系统
名词解释指令系统
嘿，你知道啥是指令系统不？这玩意儿啊，就好比是一个超级复杂
又超级重要的大宝藏！
指令系统呢，简单来说，就是计算机硬件能够理解和执行的一组指
令的集合。
哎呀，就像你有一堆工具，每个工具都有它特定的用处，
能帮你完成不同的任务一样。
比如说，加法指令就像是一把专门用来
做加法运算的小锤子，乘法指令呢就像一把能快速搞定乘法的小剪刀。
咱就拿电脑来说吧，电脑的指令系统就决定了它能做些啥。
要是没
有这些指令，那电脑不就成了个大铁疙瘩啦，啥也干不了！这就好比
一个人没有了手脚，想干啥都不行，多悲催啊！
而且啊，不同类型的计算机，它们的指令系统可不一样哦！就好像
不同的人有不同的技能和特长。
有的指令系统很强大，能处理超级复
杂的任务，就像个全能高手；有的呢可能就比较简单，只能干些基础
的活儿。
你想想看，要是你有一台电脑，它的指令系统不完善，好多你想让
它干的事儿它都干不了，你得多郁闷啊！相反，如果它的指令系统超
级厉害，啥都能搞定，那你得多开心，多爽啊！
我觉得吧，指令系统真的是计算机的灵魂所在啊！没有它，计算机
就啥也不是。
它就像是一个神秘的魔法盒子，里面装着各种各样神奇
的指令，等待着我们去发现和利用。
你说是不是很神奇呢？所以啊，
我们可得好好了解一下这个神奇的指令系统，这样才能更好地利用计算机，让它为我们服务呀！。
指令系统名词解析
指令系统名词解析指令系统是一种在计算机系统中使用的程序设计语言，用于向计算机发送指令并执行相应的操作。
以下是一些指令系统的常见名词解析：1. 指令（Instruction）：指示计算机执行特定操作的命令。
指令由操作码和操作数组成，操作码用于表示要执行的操作类型，操作数则指定了操作的对象或数据。
2. 指令集架构（Instruction Set Architecture）：一种计算机硬件与软件之间的接口规范，定义了计算机体系结构所支持的指令集合和操作方式。
3. 指令编码（Instruction Encoding）：指令在计算机存储器中的二进制表示形式。
指令编码通常使用位字段（bit field）来表示操作码和操作数。
4. 操作码（Opcode）：指令中用于表示操作类型的字段。
操作码定义了指令要执行的具体操作，例如加法、乘法、跳转等。
5. 操作数（Operand）：指令中用于指定操作对象或数据的字段。
操作数可以是寄存器、存储单元地址或直接的数据值。
6. 寄存器（Register）：用于存储指令执行过程中的临时数据和中间结果的存储设备。
指令可以直接操作寄存器中的数据，而无需通过主存访问。
7. 程序计数器（Program Counter）：也称为指令指针，用于指示下一条要执行的指令在存储器中的地址。
程序计数器在每次执行指令后更新。
8. 程序（Program）：包含一系列指令的有序集合，用于完成特定任务的计算机程序。
程序由开发人员编写，并通过指令系统来指导计算机执行。
9. 指令流水线（Instruction Pipeline）：一种提高指令执行效率的技术。
指令流水线将指令执行过程分为多个阶段，并允许多条指令同时在不同阶段执行，从而实现指令并行处理。
10. 中央处理器（Central Processing Unit，CPU）：负责执行计算机指令的主要硬件组件。
CPU包括指令执行单元、寄存器和控制单元等功能部件。
名词解释 指令系统
名词解释指令系统
指令系统是指计算机系统用于向计算机执行特定任务发出指令的一套规则
和机制。
指令系统是计算机硬件和软件的重要组成部分,决定了计算机能够做什么、如何执行特定任务。
指令系统由多个层次组成。
首先是汇编语言,它是用汇编语言编写的程序,
能够让计算机直接执行。
汇编语言通常使用简单的指令集,只涉及计算机寄存器和内存的使用,以及数据的操作。
接下来是高级语言,高级语言编写的程序需要通过编译器或解释器翻译成汇编语言或机器语言,才能被计算机执行。
高级语言通常使用更复杂的指令集,涉及更多的操作,例如文件读写、网络通信等。
指令系统还可以包括硬件指令和软件指令。
硬件指令是由计算机硬件直接控制的指令,例如CPU中的寄存器和内存。
软件指令是由操作系统和应用程序编写的指令,例如读写文件的指令,以及网络通信的指令。
指令系统的设计非常关键,它能够影响计算机系统的性能和效率。
优化指令系统可以提高计算机系统的处理能力和响应速度,也可以降低硬件成本和复杂度。
指令系统的错误或缺陷可能导致计算机系统出现错误或崩溃,因此必须保证指令系统的稳定性和可靠性。
指令系统是现代计算机系统的重要组成部分,对于计算机系统的性能和效率有着至关重要的作用。
《指令系统 》课件
在人工智能领域的应用
指令系统在人工智能领域中也有 着广泛的应用。人工智能算法的 实现需要大量的计算和数据处理 ，而指令系统可以提供高效的运 算能力和数据处理能力，为人工 智能算法的运行提供支持。
总之，指令系统作为一种底层技术，在各个领域都有着广泛的应用前景，为各行业的发展提供了重要 的技术支持。
05 指令系统的未来发展
指令系统的发展趋势
指令系统向更高效能发展
01
随着技术的进步，指令系统将不断优化，提高执行效率和性能
。
指令系统向更智能化发展
02
人工智能技术的引入将使指令系统具备更强的自适应和学习能
指令系统还可以用于人工智能领 域的模型优化和算法加速，如通 过优化指令系统实现深度学习模 型的快速推理和训练，提高人工 智能应用的性能和效率。
此外，指令系统还可以用于人工 智能领域的安全性和隐私保护， 如通过加密指令或硬件安全模块 等手段保护用户隐私和数据安全 。
在其他领域的应用
除了计算机系统和人工智能领域，指令系统在其他领域也有着广泛的应用。如通信领域中，指令系统 可以用于信号处理和调制解调等操作；在图形处理领域中，指令系统可以用于图像处理和渲染等操作 ；在科学计算领域中，指令系统可以用于数值计算和模拟等操作。
研究如何将人工智能技术应用于指令系统，使其具备更强的智能化 能力。
未来指令系统的发展前景
01
广泛应用于云计算、大数据等领域
随着云计算、大数据等技术的普及，指令系统将在这些领域发挥重要作
用。
02
成为人工智能技术的关键组成部分
随着人工智能技术的发展，指令系统将成为实现人工智能的重要工具。
计算机组成原理_指令系统
4.1 指令系统的发展与性能要求 4.2 指令格式与 4.3 操作数类型 4.4 指令和数据的寻址方式 4.5 典型指令
返回
1
4.1 指令系统的发展与性能要求
1、指令在计算机系统中的地位 （1）是软件和硬件分界面的一个主要标志
– 硬件设计人员采用各种手段实现它；
– 软件设计人员则利Βιβλιοθήκη 它编制各种各样的系统软 件和应用软件
– 指令系统是表征一台计算机性能的重要因素，它的格式 与功能不仅直接影响到机器的硬件结构，而且也直接影
3
4.1 指令系统的发展与性能要求
3、发展情况 – 复杂指令系统计算机，简称CISC。但是如 此庞大的指令系统不但使计算机的研制 周期变长，难以保证正确性，不易调试 维护，而且由于采用了大量使用频率很 低的复杂指令而造成硬件资源浪费。 – 精简指令系统计算机：简称RISC，人们又 提出了便于VLSI技术实现的精简指令系统 计算机。
• Pentium数据类型(见P111表4.4)
– 常规数据类型 – 整数数据类型 – ……..
23
4.4 指令和数据的寻址方式
• 研究问题
– 确定本条指令中各操作数的地址 – 下一条指令的地址
• 寻址方式是指CPU根据指令中给出的地址码 字段寻找相应的操作数的方式，它与计算 机硬件结构紧密相关，而且对指令的格式 和功能有很大的影响。
30
2、立即寻址
• 特点：在取指令时，操作码和操作数被同时取出， 不必再次访问存储器，从而提高了指令的执行速 度。 • 但是，因为操作数是指令的一部分，不能被修改； • 而且对于定 长指令格式，操作数的大小将受到指 令长度的限制，所以这种寻址方式灵活性最差 • 通常用于给某一寄存器或主存单元赋初值，或者 用于提供一个常数。
第4章 指令系统
OP
这种指令有两种可能： 指令不需要操作数，如停机指令(HALT)、空操作指令(NOP)等。 所需的操作数是默认的，如默认在堆栈中。
注：上述的地址格式是针对同一种性质的操 作在不同的机型上可以采取的不同的实现方案 ， 在具体的某种机型的指令系统中，根据操作类 型的不同，又可以采用不同的地址格式。
位利用率高，但控制器复杂。在字长较短的微型机上广泛使用。 例：如某机器的指令系统有 15 条 3地址指令、 15条 2 地址指令、 15条1地址指令、16条零地址指令，共61条。该机器指令长度是16 位，包括4位基本操作码字段和3个4位地址码字段，其格式如下：
OP(4位) A1(4位) A2(4位) A3(4位)
通常用于跳转指令中
24
指令寻址
顺序寻址
通过程序计数器PC加1，自动形成下一条指令的地址
跳跃寻址
跳跃寻址是通过转移指令来实现 , 转移地址的形成方式有3种：直接、相 对和间接寻址，如：
26
4.3 RISC技术
CISC：复杂指令集计算机（Complex Instruction Set Computer）。
直接寻址
形式地址就是操作数的有效地址，即：EA=A
例：OP 1000， Rx 特点：简单，但地址的位数受到指令字长的限制
19
常用的数据寻址方式
间接寻址
形式地址是操作数的有效地址的地址，即：EA=（A ） 特点：扩大了寻址范围 ，但至少需要访问两次主存， 降低了指令的执行速度
通常用于字符串处理、数组运算等成批数据处理中
22
常用的数据寻址方式
基址寻址
有效地址EA=（基址寄存器Rb）＋D 例：OP addr(Rb)，Rj 通常用于多用户计算机系统中，逻辑地址到物理地址的转换
计算机指令系统
寻址方式
立即寻址：操作 数直接包含在指 令中
直接寻址：操作 数的地址包含在 指令中
间接寻址：操作 数的地址包含在 寄存器中
变址寻址：操作 数的地址包含在 变址寄存器中
相对寻址：操作 数的地址相对于 程序计数器PC
堆栈寻址：操作 数的地址包含在 堆栈中
简单性
指令功能单一，避 免复杂指令组合
● 复杂指令集计算机（CISC）：指令丰富，执行效率高，但设计复杂，功耗较高 ● 精简指令集计算机（RISC）：指令精简，执行效率较低，但设计简单，功耗较低 ● 超长指令字（VLIW）：将多个指令组合成一个超长指令，提高执行效率 ● 单指令多数据流（SIMD）：一条指令可以同时对多个数据进行操作，提高执行效率 ● 向量指令集（VLIW）：将多个指令组合成一个向量指令，提高执行效率 ● 硬件线程指令集（HTISC）：通过硬件线程技术，提高执行效率 ● 微程序控制指令集（Microcode）：通过微程序控制技术，提高执行效率 ● 堆栈指令集（Stack）：通过堆栈技术，提高执行效率 ● 流水线指令集（Pipeline）：通过流水线技术，提高执行效率 ● 超线程指令集（Hyper-Threading）：通过超线程技术，提高执行效率
应用：广泛应用于 4
各种处理器，如 CPU、GPU等
优点：提高指令执 行速度，减少指令
2 执行时间
3
实现方式：通过硬
件和软件的优化，
实现指令执行的并
行化
超线程技术
超线程技术是一种在单个处理器内 部实现多个线程的技术。
超线程技术可以减少处理器的空闲 时间，提高系统的性能。
超线程技术可以充分利用处理器பைடு நூலகம் 部的资源，提高处理器的利用率。
指令级并行可以通过流水线技术、分支预测技术、 指令级并行技术等实现。
指令系统总结及课后题
程序存储器（@A+PC,@A+DPTR）
相对寻址
程序存储器256B范围（PC+偏移量）
位寻址
片内RAM的20H-2FH字节地址、部分SFR
寻址方式中常用的符号注释
Rn(n=0～7)：当前选中的工作寄存器组R0～R7。 Ri(I=0,1)：作为地址指针的两个工作寄存器R0，R1。 #data：8位立即数。 #data16：16位立即数。 direct：8位片内RAM单元（包括SFR）的直接地址。 addr11：11位目的地址，用于ACALL和AJMP指令中。 addr16：16位目的地址。用于LCALL和LJMP指令中。 rel：补码表示的8位地址偏移量。范围：-128～+127D。 bit：片内RAM或SFR的直接寻址位地址。 @：间接寄存器的符号。 /：位操作指令中对该位先取反再参与操作，不影响原值。 (×)：×中的内容。 ((×))：×指出的地址单元中的内容。 →：指令操作流程方向。
B ACC PSW IP P3 IE P2 SBUF SCON P1 TH1 TH0 TL1 TL0 TMD TCON PCON DPH DPL SP P0
10、如何访问SFR，可采用那些寻址方式？ 答：用直接寻址，位寻址，寄存器寻址 11、如何访问片外RAM，可使用那些寻址方式？ 答：只能采用寄存器间接寻址（用MOVX指令） 12、如何访问片内RAM，可使用那些寻址方式？ 答：低128字节：直接寻址，位寻址，寄存器间接寻址，寄存器寻址（R0~R7） 高128字节：直接寻址，位寻址，寄存器寻址 13、如何访问片内外程序存储器，可使用那些寻址方式？ 答：采用变址寻址（用MOVC指令） 14、说明十进制调整的原因和方法？ 答：压缩BCD码在进行加法运算时应逢十进一，而计算机只将其当作十六进制数处理，此时得到的结果不正确。用DA A指令调整（加06H，60H，66H） 15、说明8951布尔机处理机功能？ 答：用来进行位操作
指令系统
以下指令正确否？
MOV AX，BL MOV DL，CX
存储器操作数
表示当前参加运算的数存放在存储器的某一个 或某两个单元中 表示形式：[ ]
地址值或寄存器
如：[1234H] 表示操作数在地址为1234H的存储器单元中 [BX] 表示操作数在以BX的内容为地址的存储器单元中
指令格式
指令的长度与操作码及操作数的多少和类型有关
源/目的操作数
零操作数指令： 操作码
例: HLT
单操作数指令： 操作码 操作数 例：MUL AL 双操作数指令： 操作码 操作数1，操作数2
目的操作数 源操作数
注：两个操作数时，操作数类型要一致。如都是8位或都是16位。
二、指令中的操作数
立即数：表是参加操作的数据本身 存储器操作数：表是数据存放的地址 寄存器操作数：表是数据存放在哪个寄存器中 隐含操作数：表是数据隐含存放在某个寄存器中
当操作数在内存中时，指令的地址码（操作码） 给出所访问的内存单元的逻辑地址。在寻址方式 中，逻辑地址的形成是由多个分量组合而成，该 组合地址又叫有效地址。
MOV数据传送指令
其格式为：MOV 目的操作数，源操作数 目的操作数和源操作数均可采用不同的寻址 方式，但两个操作数的类型必需一致。
指令中操作数
为什么引入不同寻址？如果操作数在CPU内部寄存器总，寻址 是简单有效；但是遗憾的是CPU内部寄存器是有限的，大量的 数据和运算结果需放在内存中，8086的寻址能力为1MB，指令 中如何给出操作数所在地址，从而 提高程序编制及指令执行效率， 就存在多种不同寻址。
有效地址EA（Effective Address）
名词解释计算机的指令系统
名词解释计算机的指令系统计算机的指令系统是指计算机硬件与软件之间的沟通桥梁，它定义了计算机能理解和执行的指令集合。
指令系统负责将用户编写的高级语言或机器语言程序转化为计算机可以理解和执行的底层指令，同时也决定了计算机的体系结构、功能和性能。
一、指令系统的基本概念指令系统由一系列指令组成，每个指令都包含了操作码和操作数。
操作码决定了指令的类型，例如，加法指令、乘法指令、内存读取指令等。
操作数则是指令的操作对象，它可以是寄存器、内存地址或常数。
指令通过操作码来告诉计算机需要执行的具体操作，通过操作数来指定操作所需的数据。
二、指令格式和寻址方式指令格式是指令的组织形式，通常包括操作码、寄存器编号和操作数。
不同的计算机体系结构采用不同的指令格式，如紧凑指令格式、变长指令格式、定长指令格式等。
寻址方式决定了指令如何找到操作数所在的存储位置，常见的寻址方式包括直接寻址、立即寻址、寄存器寻址、间接寻址等。
三、指令执行过程指令的执行过程通常包括取指、分析、执行和写回四个阶段。
取指阶段从内存的指令存储区读取下一条指令，分析阶段解析指令，确定操作类型和操作数，并进行必要的地址计算。
执行阶段根据指令的操作类型执行相应的操作，并根据需要访问内存或寄存器来获取或存储数据。
最后，写回阶段将执行结果写回寄存器或内存。
四、指令系统的设计方法指令系统的设计目标是通过合理的指令集合和编码方式来满足计算机的功能需求，同时提高计算机的性能和效率。
指令系统的设计方法主要有以下几种：精简指令集（RISC）和复杂指令集（CISC）的设计方法、定制指令扩展（ISA Extension）的设计方法、向量指令扩展（SIMD）的设计方法等。
五、指令系统与计算机性能的关系指令系统的设计和优化直接影响计算机的性能。
合理的指令系统可以提高计算机的运算速度、存储器访问效率和程序流水线的利用率。
通过减少指令的数目，简化指令的格式，增加寄存器的数量等方法，可以提高指令系统的效率。
关于指令系统的描述
关于指令系统的描述
x
一、关于指令系统
指令系统是一种用于控制计算机的硬件指令集，不同的指令有不同的功能。
指令系统包括编程语言、指令码和微程序，它们构成了计算机的指令集。
指令系统有助于指定机器按预定方式运行，以及在操作系统和其他软件之间进行适当的数据交换。
指令系统也是一种指令处理机制，其作用是捕获指令，发送给控制器，控制器通过这些指令控制硬件的运行。
它是一种协作机制，它能够实现机器和操作系统之间的协作，以及清晰的指令处理流程，这对于实现计算机的高效运作非常重要。
二、指令系统的组成
指令系统由四部分组成，即指令码、通用寄存器、指令子系统和状态控制器。
1、指令码：指令码是机器指令的文本表示，用于控制机器的操作，它由一系列数字和字母组成。
2、通用寄存器：通用寄存器是用于存储操作的内存空间，它可以存储指令和数据，是指令的主要存储位置。
3、指令子系统：指令子系统负责执行指令，它可以识别指令码并将其转换为机器指令，从而实现指令的操作。
4、状态控制器：状态控制器负责跟踪计算机的运行状态，并根据需要更改其配置。
总之，指令系统是一种用于在硬件和软件之间进行数据交换的机制，它不仅是操作系统和计算机应用软件的重要组成部分，而且是对机器的操作和数据处理的基础。
指令系统的概念
指令系统的概念指令系统是计算机中的一个重要概念，它是指一组用于控制计算机硬件执行特定操作的机器指令的集合。
指令系统定义了计算机所能执行的基本操作，包括数据的处理、存储和传输。
指令系统由指令集构成，指令集是一种特定处理器体系结构所支持的所有指令的集合。
指令集可以分为固定长度指令集和变长指令集两种类型。
固定长度指令集中，每个指令的长度都是相同的，例如32位或64位；而在变长指令集中，指令的长度可以不固定，可以根据指令所需的位数来确定。
指令系统中的每个指令都由操作码和操作数组成。
操作码是指令的唯一标识，用于指示计算机应该执行的操作类型，例如算术运算、逻辑运算或数据传输等。
操作数是指令所处理的数据，可以是寄存器、内存地址或立即数等。
指令系统中的指令可以分为几个不同的类型。
常见的指令类型包括数据传输指令、算术逻辑指令、控制指令和特权指令等。
数据传输指令用于将数据从一个位置传输到另一个位置，例如将数据加载到寄存器或从寄存器保存到内存。
算术逻辑指令用于执行算术和逻辑运算，例如加法、减法、乘法、逻辑与或逻辑非等。
控制指令用于控制程序的流程，例如条件分支和循环。
特权指令用于执行需要特殊权限的操作，例如访问操作系统资源或保护计算机的安全。
指令系统也可以按照指令的执行方式进行分类。
常见的指令执行方式包括顺序执行、并行执行、乱序执行和超标量执行等。
顺序执行是指按照指令在程序中的顺序依次执行指令。
并行执行是指多个指令同时执行，可以提高计算机的性能。
乱序执行是指根据指令之间的依赖关系，动态地重新调整指令的执行顺序，以提高计算机的效率。
超标量执行是指同一时间可以并行执行多条指令，例如在一个时钟周期内可以同时执行两条或多条指令。
指令系统的设计与实现对计算机的性能和功能有着重要影响。
一个好的指令系统应该能够提供丰富的功能、高效的执行速度和有效的资源利用。
指令系统的设计需要考虑多个因素，包括处理器架构、指令的位宽、指令的类型和执行方式等。
计算机原理 指令系统
第三章指令系统第一节指令基本格式及寻址方式一、指令及指令系统的概念1．指令指令是计算机硬件能够直接识别和执行的命令。
指令是计算机微操作的组合。
能够完成一定处理任务的指令序列就是计算机程序。
区别：计算机运行所需的指令及相关文档的集合称为软件。
2．指令系统一台计算机所能执行的所有指令的全体集合称为指令系统。
反而言之，不同计算机有不同的指令系统。
强调：指令系统属于计算机硬件范畴。
一个完整的指令系统应满足下面几个要求：（1）完备性：指用汇编语言编制各种程序时指令系统提供的指令足够用。
（2）有效性：指令尽其所能可能短，以便程序所占存储空间小、执行速度快。
（3）规整性：指令的长度是字节的整数倍。
对称性：所有寄存器和存储单元可以同等对待，指令可以使用各种寻址方式。
匀齐性：指令可以支持各种数据结构，编程时无需考虑数据类型。
一致性：指令的长度与数据的长度有一定的关系，以方便存取和处理。
（4）兼容性：在不同机器上能够不作修改地运行。
二、指令格式及分类1．指令格式指令包括操作码和地址码（操作数）。
操作码：表明该条指令操作的性质和功能。
地址码：表明参加操作的操作数地址和结果地址。
指令长度：是操作码的长度与地址码的长度之和。
指令的长度与字长没有固定关系，但一定是字节的整数倍。
操作码的长度，决定指令的种类（条数）。
地址码的长度，决定了指令的寻址空间（所能访问的最大存储空间）。
2．指令格式的分类根据指令中给出的操作数的个数可以将指令分为：零地址指令、一地址指令、二地址指令、三地址指令、多地址指令。
一条指令可以没有地址码，但必须要有操作码。
（ ）零地址指令中没有一个操作数地址，如停机指令（HALT）、空操作指令（NOP）。
三、寻址方式寻址方式包括：指令的寻址：确定本条指令的地址和下一条要执行指令的地址的方法。
（顺序寻址方式PC（程序计数器、指令指针寄存器）和跳跃寻址方式）操作数的寻址：找到操作数的方法。
操作数寻址方式有：1．立即数寻址：指令中直接给出操作数，通常用于给寄存器设置初始值，操作数在指令中，特点是寻址速度最快，缺点是灵活性最差。
指令系统的描述
指令系统的描述
指令系统是计算机中的重要组成部分，它包含了一系列的指令，用于控制计算机的各种操作。
指令系统的描述可以分为两部分，一是指令的格式，二是指令的功能。
指令的格式包括指令的操作码、地址码以及寄存器码等。
指令的操作码用于指定指令的具体操作，比如加法、减法、乘法等。
地址码用于指定操作数的地址或者寄存器的编号，比如内存地址、寄存器AX等。
寄存器码用于指定寄存器的编号，比如AX、BX、CX等。
指令的功能包括数据传输、算术运算、逻辑运算、跳转等。
数据传输指令用于将数据从一个地方传输到另一个地方，比如将数据从内存传输到寄存器中。
算术运算指令用于进行加减乘除等数学运算。
逻辑运算指令用于进行与、或、非等逻辑运算。
跳转指令用于改变指令的执行顺序，比如根据条件跳转到指定的位置。
指令系统的描述是计算机系统设计中的重要环节，它直接影响计算机的性能和功能。
因此，指令系统的设计需要考虑多种因素，包括指令的复杂度、指令的数量、指令的执行速度等。
- 1 -。
指令系统
计算机硬件的语言系统
01 简介
03 指令格式
目录
02 发展历程 04 性能要求
目录
05 寻址方式
07 复杂与精简
06 种类 08 执行步骤
指令系统是计算机硬件的语言系统，也叫机器语言，指机器所具有的全部指令的集合，它是软件和硬件的主 要界面，反映了计算机所拥有的基本功能。从系统结构的角度看，它是系统程序员看到的计算机的主要属性。因 此指令系统表征了计算机的基本功能决定了机器所要求的能力，也决定了指令的格式和机器的结构。设计指令系 统就是要选择计算机系统中的一些基本操作(包括操作系统和高级语言中的)应由硬件实现还是由软件实现，选择 某些复杂操作是由一条专用的指令实现,还是由一串基本指令实现,然后具体确定指令系统的指令格式、类型、操 作以及对操作数的访问方式。
寻址方式
根据指令内容确定操作数地址的过程称为寻址。完善的寻址方式可为用户组织和使用数据提供方便。
①直接寻址：指令地址域中表示的是操作数地址。
②间接寻址：指令地址域中表示的是操作数地址的地址即指令地址码对应的存储单元所给出的是地址A，操作 数据存放在地址A指示的主存单元内。有的计算机的指令可以多次间接寻址,如A指示的主存单元内存放的是另一 地址B，而操作数据存放在B指示的主存单元内，称为多重间接寻址。
精简( RISC)
早期的计算机,存储器是一个很昂贵的资源,因此希望指令系统能支持生成最短的程序。此外,还希望程序执 行时所需访问的程序和数据位的总数越少越好。在微程序出现后,将以前由一串指令所完成的功能移到了微代码中, 从而改进了代码密度。此外,它也避免了从主存取指令的较慢动作,从而提高执行效率。在微代码中实现功能的另 一论点是:这些功能能较好的支持编译程序。如果一条高级语言的语句能被转换成一条机器语言指令,这可使编译 软件的编写变得非常容易。此外,在机器语言中含有类似高级语言的语句指令,便能使机器语言与高级语言的间隙 减少。这种发展趋向导致了复杂指令系统( CISC)设计风格的形成,即认为计算机性能的提高主要依靠增加指令复 杂性及其功能来获取。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第四章指令系统[内容纲要]1 指令系统的基本概念指令：就是要计算机执行某种操作的命令。
计算机的指令有：微指令、机器指令和宏指令之分。
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。
指令系统：一台计算机中所有机器指令的集合。
包括：复杂指令系统计算机(CISC)、精简指令系统计算机（RISC）。
[指令系统的性能要求]一个完善的指令系统应满足如下四方面的要求：完备性用汇编语言编写各种程序时，指令系统直接提供的指令足够使用，而不必用软件来实现。
完备性：要求指令系统丰富、功能齐全、使用方便。
有效性利用该指令系统所编写的程序能够高效率的运行。
高效率主要表现在程序占据存储空间小、执行速度快。
一般来说，一个功能更强、更完善的指令系统，必定有更好的有效性。
规整性规整性包括指令系统的对称性、匀齐性、指令格式和数据格式的一致性。
对称性指在指令系统中所有的寄存器和存储器单元都可同等对待，所有的指令都可使用各种寻址方式；匀齐性是指一种操作性质的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是指指令长度和数据长度有一定的关系，以方便处理和存取。
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，因而指令系统是兼容的，即各机种上基本软件可以通用。
但由于不同机种推出的时间不同，在结构和性能上有差异，做到所有软件都完全兼容是不可能的，只能做到“向上兼容”，即低档机上运行的软件可以在高档机上运行。
[低级语言与硬件结构的关系]计算机语言具有高级语言和低级语言之分。
高级语言：其语句和用法与具体机器的指令系统无关。
低级语言：包括：机器语言（二进制语言）和汇编语言（符号语言）。
机器语言是面向机器的语言，和具体机器的指令系统密切相关。
机器语言用指令代码编写程序，而符号语言用指令助记符来编写程序。
高级语言与计算机的硬件结构及指令系统无关，在编写程序方面比汇编语言优越。
但是高级语言程序“看不见”机器的硬件结构，不能用于编写直接访问机器硬件资源的系统软件或设备控制软件。
为此，一些高级语言提供了与汇编语言之间的调用接口。
用汇编语言编写的程序，可作为高级语言的一个外部过程或函数，利用堆栈来传递参数或参数的地址。
2 指令格式包括：操作码、地址码、指令字长度、指令助记符。
[操作码]指令字（简称指令）即表示一条指令的机器字。
指令格式则是指令字用二进制代码表示的结构形式，由操作码字段和地址码字段组成。
[地址码]地址码字段又称为操作数字段，一般的操作数有被操作数、操作数及操作结果这三种数，因而就形成了三地址指令格三地址指令一地址指令零地址指令注意(1)零地址指令的指令字中只有操作码，而没有地址码。
(2)一地址指令常称为单操作数指令。
通常这种指令以运算器中累加寄存器AC中的数据为被操作数，指令字的地址码字段所指明的数为操作数，操作结果又放回累加寄存器AC中。
(AC) OP (A) -> ACOP表示操作性质；（AC）表示累加寄存器AC中的数；（A）表示内存中地址为A的存储单元中的数或运算器中地址为A的通用寄存器中的数；→表示把操作（运算）结果传送到指定的地方。
(3)二地址指令常称为双操作数指令，它的两个地址码字段分别指明参与操作的两个数在内存中或运算器中通用寄存器的地址，A1作存放操作结果的地址。
(A1) OP (A2) -> A1(4)三地址指令字中有三个操作数地址。
(A1) OP (A2) -> A3A1为被操作数地址，也称源操作数地址； A2为操作数地址，也称终点操作数地址； A3为存放结果的地址。
同样，A1,A2,A3以是内存中的单元地址，也可以是运算器中通用寄存器的地址。
二地址指令格式中，从操作数的物理位置来说，又可归结为SS型、RR型和RS型等三种类型。
[指令字长度]指令字长度：一个指令字中包含二进制代码的位数。
机器字长：计算机能直接处理的二进制数据的位数，它决定了计算机的运算精度。
[指令助记符]由于硬件只能识别1和0，所以采用二进制操作码是必要的，但是我们用二进制来书写程序却非常麻烦。
为了便于书写和阅读程序，每条指令通常用3个或4个英文缩写字母来表示。
这种缩写码叫指令助记符。
3 指令和数据的寻址方式包括：指令的寻址方式、操作数寻址方式[指令的寻址方式]操作数或指令在存储器中的地址：某个操作数或某条指令存放在某个存储单元时其存储单元的编号。
在存储器中，操作数或指令字写入或读出的方式，有地址指定方式、相联存储方式和堆栈存取方式。
当采用地址指定方式时，形成操作数或指令地址的方式，称为寻址方式。
寻址方式分为两类，既指令寻址方式和数据寻址方式，前者比较简单，后者比较复杂。
[指令的寻址方式]有两种：一种是顺序寻址方式，另一种是跳跃寻址方式。
[操作数寻址方式]：形成操作数的有效地址的方法，称为操作数的寻址方式。
其主要包括：1）隐含寻址特点是：在指令中不明显的给出而是隐含着操作数的地址。
2）立即寻址特点是：指令的地址字段指出的不是操作数的地址，而直接是操作数本身。
3）直接寻址特点是：在指令格式的地址字段中直接指出操作数在内存的地址D。
4）间接寻址特点是：指令地址字段中的形式地址D不是操作数的真正地址，而是操作数地址的指示器，D单元的内容才是操作数的有效地址。
5）寄存器寻址方式和寄存器间接寻址方式当操作数不放在内存中，而是放在CPU的通用寄存器中时，可采用寄存器寻址方式。
此时指令中给出的操作数地址不是内存的地址单元号，而是通用寄存器的编号。
寄存器间接寻址方式与寄存器寻址方式的区别在于：指令格式中的寄存器内容不是操作数，而是操作数的地址，该地址指明的操作数在内存中。
6）相对寻址方式相对寻址是把程序计数器PC的内容加上指令格式中的形式地址D而形成操作数的有效地址。
程序计数器的内容就是当前指令的地址。
7）基址寻址方式特点是：将CPU中基址寄存器的内容加上指令格式中的形式地址而形成操作数的有效地址。
它的优点是可以扩大寻址能力。
8. 变址寻址方式变址寻址方式与基址寻址方式计算有效地址的方法很相似，它把CPU中某个变址寄存器的内容与偏移量D相加来形成操作数有效地址。
但使用变址寻址方式的目的不在于扩大寻址空间，而在于实现程序块的规律变化。
9. 块寻址方式块寻址方式经常用在输入输出指令中，以实现外存储器或外围设备同内存之间的数据块传送。
10. 段寻址方式这种寻址方式的实质还是基址寻址，方法上采用段寄存器数据自动左移若干位，然后与偏移量相加，进而形成所需的内存地址。
掌握各种寻址方式的有效地址E形成方法。
4 堆栈寻址方式包括：串联堆栈、存储器堆栈[串联堆栈]一些计算机的CPU中有一组专门的寄存器，有16个或更多，它们称为串联堆栈，其中每一个寄存器能保存一个字的数据。
数据的入栈或出栈遵循“后进先出”的原则。
[存储器堆栈]由程序员设指出一部分主存储器来作为堆栈，称为存储器堆栈。
这种堆栈有三个优点：⑴堆栈能够具有程序员要求的任意长度；⑵只要程序员喜欢，愿意建立多少堆栈，就能建立多少堆栈；⑶可以用对存储器寻址的任何一条指令来对堆栈中的数据进行寻址。
注意到：存储器堆栈中，进栈时先存入数据，后修改堆栈指示器；出栈时，先修改堆栈指示器，然后取出数据。
5 典型指令包括：指令的分类、基本指令系统、精简指令系统（RISC）[指令的分类]主要包括：数据传送指令、算术运算指令、逻辑运算指令、程序控制指令、输入输出指令、字符串处理指令以及特权指令和其他指令。
[基本指令系统]这些指令的功能具有普遍意义，几乎所有计算机的指令集中都能找到这些指令。
[精简指令系统RISC]RISC指令系统的最大特点是：⑴选区使用频率最高的一些简单指令，指令条数少；⑵指令长度固定，指令格式种类少；⑶只有取数／存数指令访问存储器，其余指令的操作都在寄存器之间进行。
[本章小结]一台计算机中所有机器指令的集合，称为这台计算机的指令系统。
指令系统是表征一台计算机性能的重要因素，它的格式与功能不仅直接影响到机器的硬件结构，而且也影响到系统软件。
指令格式是指令字用二进制代码表示的结构形式，通常由操作码字段和地址码字段组成。
操作码字段表征指令的操作特性与功能，而地址码字段指示操作数的地址。
目前多采用二地址、单地址、零地址混合方式的指令格式。
指令字长度分为：单字长、半字长、双字长三种形式。
高档微型机中目前多采用32位长度的单字长形式。
形成指令地址的方式，称为指令寻址方式。
有顺序寻址和跳跃寻址两种，由指令计数器来跟踪。
形成操作数地址的方式，称为数据寻址方式。
操作数可放在专用寄存器、通用寄存器、内存和指令中。
数据寻址方式有隐含寻址、立即寻址、直接寻址、间接寻址、寄存器寻址、寄存器间接寻址、相对寻址、基址寻址、变址寻址、块寻址、段寻址等多种。
按操作数的物理位置不同，有RR型和RS型。
前者比后者执行的速度快。
堆栈是一种特殊的数据寻址方式，采用“先进后出”原理。
按结构不同，分为寄存器堆栈和存储器堆栈。
不同机器有不同的指令系统。
一个较完善的指令系统应当包含数据传送类指令、算术运算类指令、逻辑运算类指令、程序控制类指令、I/O类指令、字符串类指令、系统控制类指令。
RISC指令系统是CISC指令系统的改进，它的最大特点是：⑴指令条数少；⑵指令长度固定，指令格式和寻址种类少；⑶只有取数／存数指令访问存储器，其余指令的操作均在寄存器之间进行。