《计算机体系结构设计》第03章 指令体系设计

逻 辑 左 移 SHL （ Shift Logical Left ） / 逻 辑 右 移 SHR （Shift Logical Right）
格式：SHL(或SHR) OPR，CNT 逻辑移位指令常用于无符号数*2或/2，受影响的标志
位：CF、OF、PF、SF和ZF（AF无定义）。
如：MOV AX，36H
L: CALL B M: CALL C
K+1:
L+1:
M+1:
堆栈
M+1 L+1 K+1
RET
RET
利用堆栈保存返回地址
RET
3.1.8 输入输出指令
输入/输出（I/O）类指令用来实现主机与外部设备之 间的信息交换。通常有两种：独立编址方式，统一编址方式。
输入/输出指令
0000H
主存
00H 外设寄存器 FFH
立即寻址
指令的地址字段指出的不是操作数的地址，而是操作 数本身，这种寻址方式称为立即寻址。如：MOV AX， 5678H。
OP
立即数
图3.8 立即寻址方式表示形式
直接寻址
在指令格式的地址的字段中直接指出操作数在内存的地 址。不需要经过某种变换，所以称这种寻址方式为直接寻址 方式。
指令寄存器 OP 1A00
压栈指令格式： PUSH 源操作数
(SP)-1→SP
；修改栈指针
(A)→(SP)
；将A中的数据压入堆栈
弹栈指令格式：POP 目的操作数
((SP))→A
；将栈顶内容弹出，送入A中
(SP)+1→SP
；修改栈指针
3.1.7 程序控制指令
程序控制指令也称转移指令。主要分成三类，转移指 令（包括无条件转移和有条件转移）、程序调用和返回指 令，循环控制指令。
显式的方法就是在指令中设置专门的寻址方式（MOD） 字段，用二进制代码来表明寻址方式类型。
显式 OP MOD
A
隐式的方式是由指令的操作码字段说明指令格式并隐
含约定寻址方式。
隐式
OP
A
3.3.1 指令寻址
顺序寻址方式 使用程序计数器（又称指令指针寄存器）PC来计数
指令的顺序号，该顺序号就是指令在内存中的地址。
子程序调用返回指令
子程序是一组可以公用的指令序列，知道子程序的入口 地址就能调用它。从主程序转向子程序的指令称为子程序调 用指令（CALL）；而从子程序转向主程序的指令称为返回 指令（RET或RETURN）。可以带有条件，也可以不带条件。
主程序
子程序A A：
子程序B B：
子程序C C：
K: CALL A
（3）通用寄存器型中的进一步分类 寄存器至寄存器（R-R：Register-Register） 寄存器至存储器（R-S：Register-Storage）/
寄存器-存储器(R-M：Register- Memory) 存储器至存储器（S-S：Storage-Storage）/
存储器-存储器型(M-M:Memory-Memory)
（4）IBM 370机指令分类
IBM 370机（字长32位）的指令可分为三种不同的长 度形式：半字长指令、单字长指令和一个半字长指令。不 论指令的长度为多少位，其中操作码字段一律都是8位，8 位操作码字段允许容纳256条指令，实际上在IBM 370机中 仅有183条指令。
操作码第0位和第1位组成4种不同编码，代表不同类 型指令：00表示RR型指令，01表示RX型指令，10表示RRE 型、RS型、S型及SI型指令，11表示SS型和SSE型指令。
按位置（位设置）
例如：OR AL，80H
XXXX XXXX ∨ 10000000
1XXX XXXX
按位修改
利用“异或”指令可以修改目的操作数的某些位，只要
源操作数的相应位为“1”来自百度文库其余位为“0”，异或之后就达到
了修改这些位的目的（因为 A ⊕1=A，A⊕0=A）。
例如：XOR AL，08H
XXXX XXXX
带进位的循环左移RCL（Rotate Left Through Carry）和带 进位的循环右移RCR（Rotate Right）
格式：RCL（或RCR） OPR，CNT 都用原CF的值填补空出的位，移出的位再进入CF。受影
响的标志位：CF和OF。 双精度移位指令
386及其后继机型可使用本组指令，包括SHLD(shift left double) 双精度左移和SHRD(shift right double) 双精度右移。 格式：SHLD（或SHRD） DST，REG，CNT
指令的分类： （1）按指令长度是否可变分类
定长指令字结构 变长指令字结构 （2）按在CPU中的存储位置分类 堆栈型：不能被随机访问，从而很难生成有效代码；
累加器型：减小了机器的内部状态，指令短小。由于累加 器是唯一的暂存器，这种机器的存储器通信开销最大。
寄存器型：是代码生成最一般的模型。
数据交换指令
数据传送也可以是双向的，即将源操作数与目的操作 数（一个字节或一个字）相互交换位置。 字符串处理指令
一般包括字符串传送、字符串转换（把一种编码的字 符串转换成另一种编码的字符串）、字符串替换（把某一 字符串用另一字符串替换）等。
3.2.1 数值数据类型
数据类型可以分为两大类：数值型的和非数值型的。
算术左移SAL(shift arithmetic left) 格式：SAL OPR，CNT 含义：算术左移SAL把目的操作数的低位向高位移，
空出的低位补0。 SAR(shift arithmetic right) 算术右移
格式：SAR OPR，CNT
3.1.5 逻辑移位指令
逻辑移位的对象是没有数值含义的二进制代码。按进位 位是否一起循环分为：小循环（不带进位循环），大循环 （带进位循环）。
图3.6 顺序寻址方式
跳跃寻址方式 所谓跳跃，是指下条指令的地址码不是由程序计数器
给出，而是由本条指令给出。注意，程序跳跃后，按新的 指令地址开始顺序执行。
图3.7 跳跃寻址方式
3.3.2 操作数寻址
形成操作数的有效地址的方法称为操作数的寻址方式， 或称为数据寻址方式。
隐含寻址
这种类型的指令，不是明显地给出操作数的地址。而是 在指令中隐含着操作数的地址。例如，单地址的指令格式， 规定累加寄存器AC作为第2操作数地址，指令格式明显指出 的仅是第1操作数的地址D。如：DAA。
转移指令
在程序执行过程中，通常采用转移指令来改变程序的 执行方向。
无条件转移指令（JMP）不受任何条件的约束，直接 把程序转向新的位置执行。转移指令中的无条件转移指令 通常有两种：一种是局部无条件，采用相对寻址方式，转 移范围一般在+127到-128之间；另一种是全局无条件 转移，可以在整个寻址空间内转移。
指令系统：通常是指一台计算机所能 执行的全部指令的集合。
指令系统 软件
裸机
指 令 集体系 结 构 (Instruction-Set Architecture， ISA)，或称为指令集架构，由指令集和一系列相应的寄存 器 约 定 构 成 。 常 见 种 类 有 ： 复 杂 指 令 集 运 算 (Complex Instruction Set Computing，CISC)；精简指令集运算 (Reduced Instruction Set Computing，RISC)；显式并 行 指 令 集 运 算 (Explicitly Parallel Instruction Computing ， EPIC) ； 超 长 指 令 字 (Very Long Instruction Word，VLIW)。
输出指令OUT
指令格式：OUT port， acc;
直接寻址，port为8位立即数表示的端口地址，或： OUT DX，acc。间接寻址，16位端口地址由DX给出指 令将AL(或AX)的内容输出到指定的端口。
3.1.9 其他指令
特权指令
特权指令主要用于系统资源的分配与管理具有特殊的 权限，一般只能用于操作系统或其他系统软件而不直接提 供给用户使用。
SHR AX，1
当移位数大于1时，需要先将移位数放进CL中然后
再进行移位操作。
如：MOV AL，36H
MOV CL，3
SHR AL，CL
循环左移ROL（Rotate Left）/循环右移ROR（Rotate Right） 格式：ROL(或ROR) OPR，CNT
移出的位不仅要进入CF，而且还要填补空出的位。蛇咬 尾巴型循环。
3.1 指令类型与功能 3.2 数据类型 3.3 寻址方式 3.4 指令系统设计方法 3.5 CISC与RISC指令系统设计 3.6 80x86/Pentium指令系统 3.7 ARM指令系统 3.8 MIPS指令系统设计 习 题 3
指令：控制和指挥计算机执行某种操 作(如加、减、传送等)的指示和命令。
主存储器
EA=D 操作数S=(D)
100 操作数
图3.9 直接寻址
间接寻址
指令地址字段中的形式地址不是操作数的真正地址，而 是操作数地址的指示器，或者说此形式地址单元的内容才是 操作数的有效地址。
指令寄存器 OP ＠ 1A00
主存储器
IOR
IOW 访存指令
0000H
主存
FFFFH
MEMR MEMW
独立编址的I/O
EFFFH 外设寄存器 4KB
FFFFH
统一编址的I/O
输入指令 IN
指令格式：IN acc，port
直接寻址，port为8位立即数表示的端口或：IN acc， DX。间接寻址，16位端口地址由DX给出指令从端口输入 一个字节到AL或输入一个字到AX中。
3.2.2 字符类型
字符型（Character）数据是不具计算能力的文字数 据类型。它包括中文字符、英文字符、数字字符和其他 ASCII字符，其长度（即字符个数）范围是0-254个字符。
3.2.3 逻辑数据类型
逻辑数据类型又称为Boolean Variable (布尔型变量)， 是有两种逻辑状态的变量，它包含两个值：真和假。
操作码
地址码
图3.1 基本指令格式
操作码：指明操作的性质及功能，操作码长度有固定、可 变两种。
地址码：指明操作数的地址，特殊情况下也可能直接给出 操作数本身。
源操作数参照：一个或多个源操作数所在的地址。 结果值（目的操作数）参照：产生的结果存放何处。
作为一个合理而有效的指令系统应满足以下基本要求： 完备性 有效性 规整性 兼容性
3.1.3 逻辑运算指令
逻辑运算指令主要包括各类布尔量的逻辑运算指令， 如与、或、非、异或、测试等指令。
按位测（位检查） 例如：AND AL，01H
XXXX XXXX ∧ 00000001
0000000X
按位清（位清除） 例如：AND AL，FEH
XXXX XXXX ∧ 11111110
XXXX XXX0
3.1.6 堆栈操作指令
堆栈是计算机中一种“后进先出”（LIFO）或“先进后 出”（FILO）的数据结构，由栈区和栈顶指针组成。
寄存器堆栈：用一组专门的寄存器构成寄存器堆栈，又称 硬堆栈。
存储器堆栈：从主存中划出一段区域作堆栈，又称软堆栈， 大小可变，栈底固定，栈顶浮动，故需要一个专门栈指针。
堆栈有两种操作，压栈（进栈）和弹栈（出栈），它们均只 能在栈顶进行。
3.1.1 数据传送指令
计算机中最基本、最常用的指令，主要用于实现
一个部件与另一个部件之间的数据传送操作。
主存单元之间的传送
MOV mem2，mem1，其含义为 (mem1)→mem2 从主存单元传送到寄存器
MOV reg，mem，其含义为 (mem)→reg 在有些计算机中，该指令用助记符LOAD表示，又称 为取数指令。
⊕ 00001000
XXXX XXXX
判符合 若两数相符合，其异或之后的结果必定为“0”。
清0 例如：XOR AL，AL
3.1.4 算术移位指令
包括移位指令（含算术移位指令、逻辑移位指令）， 循环移位指令（含带进位的循环移位指令），双精度移 位指令三大类。算术移位的对象是带符号数，算术移位 过程中必须保持操作数的符号不变，左移一位，数值×2， 右移一位，数值÷2。
从寄存器传送到主存单元
MOV mem，reg，其含义为 (reg)→mem 在有些计算机里，该指令用助记符STORE表示，又 称为存数指令。
寄存器之间的传送
MOV reg2，reg1，其含义为 (reg1)→reg2
3.1.2 算术运算指令
运算类指令的主要功能是进行各类数据信息处理，包 括各种算术运算及逻辑运算指令。