计算机组成原理--第5章 指令系统.ppt

/webnew/ 第5章 指令系统 （时间：3次课，6学时） /webnew/ 第5章 指令系统 本章讲述计算机指令功能、指令中包含 的信息、指令的一般格式、被指令处理 的数据如何存储在计算机中、指令如何 寻找被处理的数据、指令分类、指令系 统的兼容性等问题，并列举几种类型的 计算机指令系统，由此可以较为深刻地 理解计算机指令和指令系统的意义。 /webnew/ 第5章 指令系统 n5.1 计算机指令概念 n5.2 指令格式 n5.3 数据的表示和存储 n5.4 寻址方式 n5.5 指令类型 n5.6 指令系统举例 n5.7 机器语言、汇编语言和高级语 言 /webnew/ 5.1 计算机指令概念 n软件系统分为许多层次，最低的一层就是紧临硬 件的一层，它直接控制计算机的硬件运行，这一 层就是指令系统。指令系统是一种型号的计算机 所具有的全体指令的集合。不同型号的计算机有 不同的指令系统，一般不兼容。 n计算机正在执行的指令（二进制信息）是存放在 控制器的指令寄存器中的。一条指令的功能就是 告诉计算机要完成什么操作，至于具体如何完成 ，必须将指令寄存器中的指令经控制器的译码电 路和微命令发生器，产生微命令；经控制器的地 址形成电路给出操作数地址；由微命令和操作数 地址决定实际的操作步骤。 /webnew/ 5.1 计算机指令概念 n一般说来，指令系统中的一条指令包括两大类信息 ，即操作信息和地址信息。 n计算机指令系统的设置与计算机硬件结构密切相关 。指令系统直接影响到计算机系统的性能，也直接影 响到操作系统和编译程序的编写难度，可见指令系统 的设计是计算机系统设计中的一个核心问题。 n系列(Series)计算机。 n指令系统的改进是围绕着缩小机器语言、汇编语言 与高级语言的语义差异以及有利于操作系统的实现和 优化而进行的，它有利于高级语言程序的编译和提高 机器运行速度。 /webnew/ 5.1 计算机指令概念 n指令系统太复杂也会带来一些不利因素，为了解决 这个问题，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；与之相应的便是复杂 指令系统计算机，简称CISC。 /webnew/ 5.2 指 令 格 式 计算机的指令格式与机器字长、存储器的容量以 及指令的功能都有很大关系。为了便于程序设计、 增加基本操作的并行性、增强指令功能，指令中包 含的信息越多越好。然而如果所有指令都取相同长 度的话，那么在有些指令中，一部分信息将是没有 意义的，这就浪费了指令所占的存储空间，从而增 加了访存次数，可能使整个指令执行时间更长。因 此，如何科学合理地设计指令格式，使指令既能给 出足够信息，其长度又尽可能与机器的字长相匹配 ，从而节省存储空间，缩短取指周期，达到提高机 器性能的目的，一直是指令格式设计中的一个重要 问题。 /webnew/ 5.2 指 令 格 式 n5.2.1 指令的一般格式 n5.2.2 指令操作码的扩展技 术 n5.2.3 指令长度与字长的关 系 /webnew/ 5.2.1 指令的一般格式 计算机通过执行指令来处理各种数据。为了指出 数据的来源、操作结果的去向及所执行的操作， 一条指令必须包含下列信息。 n 操作码 n 操作数的地址。 n 下一条指令的地址 根据上述分析可知，一条指令实际上包括两种信息 ，即操作码和地址码。 1. 零地址指令 OP CODE 2. 一地址指令 OPCODEA 3. 两地址指令 4. 三地址指令 /webnew/ 5.2.1 指令的一般格式 5. 多地址指令 在某些性能较好的大、中型机甚至高档次小型机 中，往往设置一些功能很强、用于处理成批数据的指 令，如字符串处理指令，向量、矩阵运算指令。为了 描述一批数据，指令中需要多个地址来指出数据存放 的首地址、长度和下标等信息。 以上所述的几种指令只是一般情况，并非所有计 算机都具有。零地址、一地址和两地址指令具有指令 短、执行速度快、硬件实现简单等特点，多为结构较 简单、字长较短的小型、微型机所采用；而两地址、 三地址和多地址指令具有功能强、便于编程等特点， 多为字长较长的大、中型机所采用。但也不能一概而 论。 /webnew/ 5.2.1 5.2.1 指令的一般格式指令的一般格式 在计算机中，指令和数据一样都是以二进制码形 式存储的，所以如果仅从存储形式来看，两者并没 有差别。但是，指令的地址由程序计数器(PC)给出 ，而数据的地址则是由指令规定的，在CPU控制下 访存时，肯定不会将指令和数据混淆。 为了程序能重复执行，一般要求程序在运行前后 所有的指令都保持不变，因此在程序执行过程中， 要避免修改指令；一旦发生了修改指令的情况，则 按出错处理。 /webnew/ 5.2.2 指令操作码的扩展技术 指令的操作码长度决定了指令系统中完成不同 操作的指令条数。若某机器的操作码长度为K位， 则它最多只能有2K条不同指令。指令操作码通常 有两种编码格式，一种是固定格式，即操作码的 长度固定，且集中放在指令字的一个字段中。这 种格式对于简化硬件设计、减少指令译码时间非 常有利，在字长较长的大、中型机和超级小型机 以及RISC上广泛使用。另一种是可变格式，即操 作码的长度可变，且分散地放在指令字的不同字 段中。这种格式能够有效地压缩程序中操作码的 平均长度，在字长较短的微型机上广泛采用。 /webnew/ 5.2.2 指令操作码的扩展技术 显然，操作码长度不固定将增加指令译码和分 析的难度，使控制器的设计复杂化，因此对操作 码的编码至关重要。通常是在指令字中用一个固 定长度的字段来表示基本操作码，而对于一部分 不需要某个地址码的指令，则把它们的操作码扩 展到该地址字段，这样，既能充分地利用指令字 的各个字段，又能在不增加指令长度的情况下扩 展操作码的长度，使它可以表示更多的指令。例 如，设某机器的指令长度为16位，包括4位基本 操作码字段和3个4位地址字段，其格式如图5-1 所示。 图5-1 指令格式 /webnew/ 5.2.2 指令操作码的扩展技术 (1)15条三地址指令的操作码由4位基本操作码给出 ，范围为00001110，剩下一个码点1111用于 把操作码扩展到A1，即从4位扩展到8位。 (2)15条二地址指令的操作码由扩展后的8位操作码 给出，范围为1111000011111110，剩下一 个码点11111111用于把操作码扩展到A2，即从 8位扩展到12位。 (3)15条一地址指令的操作码由12位操作码给出， 范围为111111110000111111111110，剩 下一个码点111111111111用于把操作码扩展到 A3，即从12位扩展到16位。 (4)16条零地址指令的操作码使用16位，范围为 11111111111100001111111111111111 。 /webnew/ 5.2.2 指令操作码的扩展技术 除了上述方法外，还有其他许多扩展方法，如 可以形成15条三地址指令、14条两地址指令、 31条一地址指令和16条零地址指令，共76条指 令。实际上，指令操作码是有空余的。在可变长 度的指令系统的设计中，到底使用何种扩展方法 ，所要遵循的一个重要原则是，使用频度(即指令 在程序中出现的概率)高的指令应分配较短的操作 码；使用频度低的指令应分配较长的操作码。这 样，不仅可以有效地缩短操作码在程序中的平均 长度，节省存储器空间，而且缩短了经常使用的 指令的译码时间，因而可以提高程序的运行速度 。 /webnew/ 5.2.2 指令操作码的扩展技术 这里特别强调指出，计算机中的指令操作码总 是希望有一定的规整性，否则会使硬件实现复杂 化。此外，为了便于在计算机内存放，指令的长 度一般是字节的整数倍，所以操作码与地址码两 部分长度之和就应该是字节的整数倍，因此在考 虑操作码长度时还应考虑地址码的要求。 由此可见，操作码扩展技术是一种重要的指令 优化技术，它可以缩短指令的平均长度，减少程 序的总位数以及增加指令字所能表示的操作信息 。扩展操作码比固定操作码译码复杂，使控制器 的设计难度增大，也需要更多的硬件来支持。 /webnew/ 5.2.3 指令长度与字长的关系 字长是指计算机能直接处理的二进制数据的位 数，它与计算机的功能和用途有很大的关系，是 计算机的一个重要技术指标。首先，字长决定了 计算机的运算精度，字长越长，计算机的运算精 度越高，因此，高性能的计算机字长较长，而性 能较差的计算机字长相对要短。其次，地址长度 决定了指令直接寻址能力，若为n 位，则给出的n 位直接地址可以寻址2n字节。这对于字长较短(8 位或16位)的微型机来说，远远满足不了实际需要 。扩大寻址能力的方法，一是通过增加机器字长 来增加地址码的长度；二是采用地址扩展技术， 把存储空间分成若干个段，用基地址加位移量的 方法来增加地址码的长度。 /webnew/ 5.2.3 指令长度与字长的关系 为了便于处理字符数据和尽可能地充分利用存 储空间，一般机器字长都是字节长度(即8位)的1 、2、4或8倍，也就是8、16、32、64位。20世 纪80年代的微型机的字长多为8、16和32位，大 中型机的字长多为32位和64位，因此，一个字中 可以存储1、2、4或8个字符。随着电路集成度的 提高，机器字长也在增长，16位微机也趋于淘汰 。 指令的长度主要取决于操作码的长度、操作数 地址的长度和操作数地址的个数。由于操作码的 长度、操作数地址的长度及所采用的格式不同， 各指令的长度不是固定的，但也不是任意的。为 了充分利用存储空间，指令的长度通常为字节的 整数倍。 /webnew/ 5.2.3 指令长度与字长的关系 指令的长度与机器的字长没有固定关系，它既 可以小于或等于机器的字长，也可以大于机器字 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。 /webnew/ 5.3 数据的表示和存储 计算机中的基本数据有逻辑(布尔)数、定点数( 整数)、浮点数(实数)、十进制、字符串、数组等 。对这些数据的运算可以设置专门的指令，也可 以仅设置最简单的算术逻辑运算指令，再通过执 行程序来实现对其他类型数据的处理，但后者的 速度下降许多。在机器中，若设置能直接对矩阵 向量数据(数组)进行运算的指令(增加相应的硬件 )，可以大大提高对向量(数组)的处理速度，这一 般只在巨型计算机中才采用。 目前计算机所用的数据字长一般为32位，而存 储器地址一般按字节表示，即一个存储单元只能 存放一个字节的数据，因此一条指令通常要占用 几个存储单元，使用几个存储器地址。 /webnew/ 5.3 数据的表示和存储 计算机指令系统可支持对字节、半字、字、双 字的运算，有些计算机有位处理指令。为便于硬 件实现，一般要求多字节数据对准边界，如图5- 2(a)所示。当所存数据不能满足此要求时，则填 充一个或多个空白字节。也有的计算机不要求对 准边界，但可能增加访问存储器次数。假如存储 器与运算部件间数据通路的宽度为32位(一个字) ，在不按边界对准的计算机中，访存指令所要求 存取的数据(例如一个字)可能在两个存储单元中 ，因此需要访问两次存储器，而且还要对高低字 节的位置进行调整，图5-2(b)中的阴影部分即属 这种情况。 /webnew/ (a) 多字节数据对准边界 图5-2 存储器中数据的存放举例 (b) 数据不对准边界 /webnew/ 5.3 数据的表示和存储 在数据对准边界的计算机中，当以二进制来表 示地址时，半字地址的最低位恒为零，字地址的 最低两位为零，双字地址的最低三位为零。图5-3 为按字节编址的双字数据的两种字节次序：低字 节为低地址，如图5-3(a)所示；高字节为低地址 ，如图5-3(b)所示。 (a) 低字节为低地址 (b) 高字节为低地址 图5-3 两种字节次序 /webnew/ 5.4 寻 址 方 式 在执行一条指令的时候，操作数可能在运算部 件的某个寄存器中或存储器中，也可能就在本指 令中。正在运行的程序总是存放在存储器(内存) 中，正在执行的指令总是在CPU内控制器的指令 寄存器中。所谓寻址方式(或编址方式)指的是确 定本条指令的数据地址及下一条要执行的指令地 址的方法，它与计算机硬件结构紧密相关，而且 对指令格式和功能影响很大。从程序员角度看， 寻址方式与汇编程序设计的关系极为密切；与高 级语言的编译程序设计也同样密切。不同的计算 机有不同的寻址方式，但其基本原理是相同的。 有的计算机寻址种类少，因此在指令的操作码中 表示出寻址方式；而有的计算 /webnew/ 5.4 寻 址 方 式 机采用多种寻址方式，此时在指令中专设一个字 段表示一个操作数的来源或去向。这里仅介绍几 种被广泛采用的基本寻址方式。在一些计算机中 ，某些寻址方式可以组合使用，从而形成更复杂 的寻址方式。 /webnew/ 5.4 寻 址 方 式 1. 直接寻址 对直接寻址方式来说，指令的地址码部分直接给出 操作数在存储器中的地址，图5-4(a)仅给出一个操作 数地址；当有多个地址时，情况类似。直接寻址方式 可以由操作码表示出来。图5-4(b)在指令中增加了一 个寻址方式字段M，假如M为3位二进制码，则可表 示8种寻址方式。 图5-4 直接寻址方式 /webnew/ 5.4 寻 址 方 式 2. 寄存器寻址 计算机的中央处理器中一般设置有一定数量的 通用寄存器，用以存放操作数、操作数的地址或 中间结果。假如地址码部分给出某一通用寄存器 地址，而且所需的操作数就在这一寄存器中，则 称为寄存器寻址。通用寄存器的数量一般在几个 至几十个之间，比存储单元少得多，因此地址码 短，而且对寄存器存取数据比对存储器存取数据 快得多，所以这种寻址方式可以缩短指令长度， 节省存储空间，提高指令的执行速度，因而在计 算机中得到广泛应用。 /webnew/ 5.4 寻 址 方 式 3. 基址寻址 基址寻址是指在计算机中设置一个专用的基址寄存 器，或由指令指定一个通用寄存器作为基址寄存 器。操作数的地址由基址寄存器的内容和指令的 地址码A相加得到，如图5-5所示。在这种情况下 ，地址码A通常被称为位移量(Disp)。也可用其他 方法获得位移量。 图5-5 基址寻址过程 /webnew/ 5.4 寻 址 方 式 4. 变址寻址 变址寻址的过程如图5-6所示。指令地址码部分给 出的地址A和指定的变址寄存器R的内容通过加法 器相加，所得的和作为地址从存储器中读出所需的 操作数。这是几乎所有计算机都采用的一种寻址方 式。如果计算机中还有基址寄存器，则在计算有效 地址时还要加上基址寄存器内容。 图5-6 变址寻址过程 /webnew/ 5.4 寻 址 方 式 5. 间接寻址 在寻址时，若根据指令的地址码所取出的内容是操作 数的地址或指令地址，这种寻址方式就称为间接寻址 或间址。根据地址码指的是寄存器地址还是存储器地 址，间接寻址又可分为寄存器间接寻址和存储器间接 寻址两种方式。间接寻址有一次间址和多次间址两种 情况，大多数计算机只允许一次间址。对于存储器一 次间址来说，需要访问两次存储器才能取得数据，第 一次从存储器读出的是操作数的地址，第二次才读出 操作数。 /webnew/ 5.4 寻 址 方 式 图5-7(a)、(b)分别为寄存器间接寻址与存储器间接 寻址的操作数寻址过程。图5-8以转移指令JUMP为 例，说明在直接寻址和间接寻址方式下，如何确定下 一条要执行的指令地址。 (a) 寄存器间接寻址 (b) 存储器间接寻址 图5-7 间接寻址过程 /webnew/ (a) 直接寻址 (b) 间接寻址 图5-8 确定JUMP指令的转移地址 /webnew/ 5.4 寻 址 方 式 6. 相对寻址 把程序计数器PC的内容(即当前正在执行的指令地址 )与地址码部分给出的位移量(Disp)之和作为操作数 的地址或转移地址，称为相对地址。主要用于转移 指令，执行本条指令之后，将转移到(PC)+Disp， (PC)表示程序计数器的内容。相对寻址有两个特点 ：第一，转移地址不是固定的，它随着PC值的变化 而变化，并且总是相差一个固定值Disp，因此无论 程序装入存储器的任何地方，均能正确运行，对浮 动程序很适用。第二，位移量可正可负，通常用补 码表示。若位移量为n位，则这种方式的寻址范围在 到之间。 /webnew/ 5.4 寻 址 方 式 当前计算机的程序和数据一般是分开存放的，程序区 在程序执行过程中不允许修改。在程序与数据分区存 放的情况下，不用相对寻址方式来确定操作数地址。 7. 立即数 所需的操作数由指令的地址码部分直接给出，就称为 立即数(或直接数)寻址方式。这种方式的特点是，取指 时操作码和一个操作数同时被取出，不必再次访问存 储器，提高了指令的执行速度。但是由于这一操作数 是指令的一部分，不能修改，而一般情况下，指令所 处理的数据都是在不断变化的(如上条指令执行的结果 是下条指令的操作数)，故这种方式只能适用于操作数 固定的情况。通常用于给某一寄存器或存储器单元赋 初值或提供一个常数。 /webnew/ 5.5 指 令 类 型 一台计算机的指令系统通常有几十条至几百条指令 ，按其所完成的功能可分为算术逻辑运算指令、 移位操作指令、浮点运算指令、十进制运算指令 、字符串处理指令、向量运算指令、数据传送指 令、转移类指令、堆栈操作指令、输入/输出指令 、特权指令。本节分别说明各类指令的功能。 /webnew/ 5.5 指 令 类 型 1. 算术逻辑运算指令 一般计算机都有算术逻辑运算指令。通常计算机 具有对两个数进行与、或、非(求反)、异或(按位加) 等操作的逻辑运算指令。有些计算机还设置有位操 作指令，如位测试(测试指定位的值)、位清除(把指 定位清零)、位求反(取某位的反值)指令等。 2. 移位操作指令 移位操作指令分为算术移位、逻辑移位和循环移 位3种，可以将操作数左移或右移若干位，如图5-9 所示。 /webnew/ 图5-9 各种移位的操作过程 /webnew/ 5.5 指 令 类 型 3. 浮点运算指令 高级语言中的实数(Real)经常是先转换成浮点数的 形式再进行处理。某些机器没有设置浮点运算指令 而用子程序实现，其速度较低。因此主要用于科学 计算的计算机应该设置浮点运算指令，一般能对单 精度(32位)、双精度(64位)数据进行处理。 4. 十进制运算指令 在人机交互作用时，输入/输出的数据都是以十进 制形式表示的。在某些数据处理系统中输入/输出 的数据很多，但对数据本身的处理却很简单。在不 具有十进制运算指令的计算机中，首先将十进制数 转换成二进制数，再在机器内运算；而后又转换成 十进制数据输出。在输入/输出频繁的计算机系统 中，设置十进制运算指令能提高数据处理的速度。 /webnew/ 5.5 指 令 类 型 5. 字符串处理指令 字符串处理指令是一种非数值数据的处理指令， 一般包括字符串传送、字符串比较、字符串查询 、字符串转换等指令。其中，字符串传送指令所 完成的操作是将数据块从主存储器的某区域传送 到另一区域；字符串比较指令所完成的操作是将 一个字符串与另一个字符串逐个字符进行比较， 以确定其是否相等；字符串查询是查找在字符串 中是否含有另一指定的子串或字符；字符串转换 是指将一种数据表达形式转换成另一种表达形式 ，例如从ASCII码转换成EBCDIC码(扩充的二-十 进制交换码)。这种指令在需对大量字符串进行各 种处理的文字编辑和排版方面非常有用。 /webnew/ 5.5 指 令 类 型 6. 数据传送指令 数据传递指令用以实现寄存器与寄存器、寄存器 与存储器单元、存储器单元与存储器单元之间的数 据传送。对于存储器来讲，数据传送包括了对数据 的读(相当于取数指令)或写(相当于存数指令)操作。 数据传送时，数据从源地址传送到目的地址，而源 地址中的数据保持不变，因此实际上是数据复制。 7. 转移类指令 转移类指令用以控制程序流的转移。在大多数情 况下，计算机是按顺序方式执行程序的，但是也经 常会遇到离开原来的顺序转移到另一段程序或循环 执行某段程序的情况。 /webnew/ 5.5 指 令 类 型 按转移的性质，转移指令分为无条件转移、条件 转移、过程调用与返回、陷阱(Trap)等几种。 1)无条件转移与条件转移 2)调用指令与返回指令 3)陷阱与陷阱指令 8.堆栈及堆栈操作指令 堆栈(Stack)是由若干个连续存储单元组成的先进后 出(FILO)存储区，第一个送入堆栈中的数据存放在 栈底，最近送入堆栈中的数据存放在栈顶。栈底是 固定不变的，而栈顶却是随着数据的入栈和出栈在 不断变化。为了表示栈顶的位置，有一个寄存器或 存储器单元用于指出栈顶的地址，这个寄存器或存 储器单元就称为堆栈指针SP(Stack Pointer)。任何 堆栈操作只能在栈顶进行。 /webnew/ 5.5 指 令 类 型 压入指令 PUSH OPR 把OPR(长度为两个字节)压入堆栈 操作是：(SP)-2SP，OPR(SP) 弹出指令 POP OPR 弹出一个数据(长度为两个字节)送 OPR 操作是：(SP)OPR，(SP)+2SP 由于堆栈具有先进后出的性质，因而在中断、子程序 调用过程中广泛用于保存返回地址、状态标志及现场 信息。 堆栈还有一个重要的作用，就是用于子程序调用时参 数的传递，特别是在不同语言程序之间相互调用过程 中，使用堆栈来传递数据更加普遍。 /webnew/ 5.5 指 令 类 型 9. 输入/输出(I/O)指令 计算机所处理的一切原始数据和所执行的程序(除 了固化在ROM中的以外)均来自外部设备的输入，处理 结果需要外部设备输出。输入/输出指令的一般格式是 OP REG A。其中，OP是操作码，表示I/O指令。 REG是寄存器名，用于指定与外部设备交换数据的 CPU中的某寄存器。A是外部设备接口中的寄存器地 址或设备码，其长度一般为8位或16位，可以表示256 64K个设备寄存器(接口中有3类寄存器，即输入数据 寄存器、输出数据寄存器和控制寄存器)。输入指令用 于从A地址所指定的外部设备寄存器中读入一个数据到 REG寄存器中；输出指令刚好相反，把REG寄存器中 的数 /webnew/ 5.5 指 令 类 型 据送到A地址所指定的外部设备寄存器中。此外，I/O 指令还可用来发送控制命令和接收回答信号，用以控 制外部设备的工作。 10. 特权指令 某些指令使用不当会破坏系统或其他用户信息，因 此为了安全起见，这类指令只能用于操作系统或其他 系统软件，而不提供给用户使用，称为特权指令。 11. 其他指令 其他指令包括向量指令、多处理机指令和控制指令 。控制指令包括等待指令，停机指令，空操作指令， 开中断、关中断、置条件码指令。 /webnew/ 5.6 指令系统举例 下面通过几种类型计算机指令系统的介绍来增加认 识，这些计算机(或处理器)是Sun微系统公司的 SPARC90(RISC)、IBM 360/370系列(CISC)、 PDP 11/VAX 11(CISC)系列，Intel公司的 Pentium 系列(基于RISC的处理器内核)。 /webnew/ 5.6 指令系统举例 n5.6.1 SPARC的指令系统 n5.6.2 IBM大型机指令系统 n5.6.3 PDP 11与VAX 11基本指令格 式 n5.6.4 Pentium 的指令系统 /webnew/ 5.6.1 SPARC的指令系统 SPARC指令字长32位，有3种指令格式、6种指 令类型。 1SPARC的指令类型 1)算术运算/逻辑运算/移位指令 n加法指令4条：ADD、ADDCC、ADDX、 ADDXCC。 n减法指令4条：SUB、SUBCC、SUBX、 SUBXCC。 n检查标记的加法指令2条：TADDCC、 TADDCCTV。 n检查标记的减法指令2条：TSUBCC、 TSUBCCTV。 n逻辑运算指令共12条：AND、ANDCC、ANDN 、ANDNCC；OR、ORCC、ORN、ORNCC； XOR、XORCC、XORN、XORNCC。 /webnew/ 5.6.1 SPARC的指令系统 n移位指令3条：SLL(逻辑左移)、SRL(逻辑右移) 、SRA(算术右移)。 n其他还有乘法步、SETHI、SAVE、RESTORE等 。SAVE和RESTORE两条指令分别将现行窗口指 针减1和加1。 n现在对4条加法指令进行说明。以CC结尾的加法 指令表示除了进行加法运算以外还要根据运算结 果置状态触发器N、Z、V、C；X表示加进位信号 ；XCC表示加进位信号并置N、Z、V、C。 2)LOAD/STORE指令 n取/存字节(LDSB/STB)、半字、字、双字共20 条指令，其中一半是特权指令。 /webnew/ 5.6.1 SPARC的指令系统 SPARC结构将存储器分成若干区，其中有4个区 分别为用户程序区、用户数据区、系统程序区和 系统数据区。并规定在执行用户程序时，只能从 用户程序区取指令，在用户数据区存取数据；而 执行系统程序时则可以使用特权指令访问任一区 。 n另外还有两条供多处理机系统使用的数据交换指 令SWAP和读后置字节指令LDSTUB。 3)控制转移类指令5条。 4)读/写专用寄存器指令8条。 以上指令共计66条。 5)浮点运算指令。 6)协处理器指令。 /webnew/ 5.6.1 SPARC的指令系统 由于SPARC为整数运算部件(IU)，所以当执行浮 点运算指令或协处理器指令时，将交给浮点运算 器或协处理器处理，当机器没有配置这种部件时 ，将通过子程序实现。 2SPARC的指令格式 格式1：CALL指令 格式2：SETHI指令和BRANCH指令 /webnew/ 5.6.1 SPARC的指令系统 格式3：其他指令 3. 各类指令的功能及寻址方式 下面简单介绍第一类至第四类指令。 1)算术逻辑运算指令 功能：(rs1)OP(rs2) rd (当i=0时) (rs1) OP Simm13 rd (当i=1时) RISC的特点之一是所有参与算术逻辑运算的数均 在寄存器中。 /webnew/ 5.6.1 SPARC的指令系统 2)LOAD/STORE指令(取数/存数指令) 功能：LOAD指令将存储器中的数据送往rd中； STORE指令将rd的内容送往存储器中。 存储器地址的计算(寄存器间接寻址方式)：当i=0 时，存储器地址=(rs1)+(rs2)；当i=1时，存储 器地址=(rs1)+Simm13。在RISC中，只有 LOAD/STORE指令访问存储器。 3)控制转移类指令 控制转移类指令用于改变PC值，SPARC有以下5 种控制转移指令。 (1)条件转移(BRANCH)：根据指令中的Cond字段 (条件码)决定程序是否转移。转移地址由相对寻 址方式形成。 /webnew/ 5.6.1 SPARC的指令系统 (2)转移并连接(JMPL)：采用寄存器间址方式形成 转移地址，并将本条指令的地址(即PC值)保存在 以rd为地址的寄存器中，以备程序返回时用。 (3)调用(CALL)：采用相对寻址方式形成转移地址 。为了扩大寻址范围，本条指令的操作码只取两 位，位移量有30位。 (4)陷阱(TRAP)：采用寄存器间址方式形成转移地 址。 (5)从TRAP程序返回(RETT)：采用寄存器间址方式 形成返回地址。 4)读/写专用寄存器指令 SPARC有4个专用寄存器(PSR、Y、WIM、 TBR)，其中PSR称为程序状态寄存器。 /webnew/ 5.6.2 IBM大型机指令系统 现在简单介绍IBM 360/370的结构及指令系统。 IBM 360是32位机器，按字节寻址，支持的数据 类型有字节、半字、字、双字(双精度实数)、装 配的十进制数(用4位二进制码表示一个十进制数 ，一个字节放两个十进制数字)和未经装配(拆卸) 的字符串(一个字节放一个字符)。机内有16个32 位通用寄存器，4个双精度(64位)浮点寄存器。 IBM 360/370有5种指令格式，如图5-10所示。 /webnew/ 图5-10 IBM 360/370 指令格式 /webnew/ 5.6.2 IBM大型机指令系统 (1)RR(寄存器-寄存器)格式：两个源操作数都在寄 存器中，结果放在第一个源寄存器中。 (2)RX(寄存器-变址)：第一个源操作数与结果放在 同一寄存器中，第二个源操作数在存储器中，其 地址为(X2)+(B2)+D2，D2为12位位移量(无符 号)。 (3)RS(寄存器-寄存器)：R1是存放结果的目的寄存 器，R3为源操作数寄存器，另一个操作数在存储 器中，其地址为(B2)+D2。RS与RX的区别在于 RS是三地址格式，并取消了变址寄存器。 (4)SI(寄存器-立即数)：将立即数imm(8位)送到 存储器，其地址为(B1)+D1。 (5)SS(存储器-存储器)：两个操作数都在存储器 /webnew/ 5.6.2 IBM大型机指令系统 中，其地址分别为(B1)+D1和(B2)+D2， (B1)+ D1还是目的地址。SS格式用于十进制运 算与字符串处理，数据长度(Length)字段可定义 为1个长度(1256个字符)或两个长度(每一个为 116个十进制数)。 /webnew/ 5.6.3 PDP 11与VAX 11基本指令格式 VAX 11/780是DEC公司于1977年推出的VAX系 列的第一个产品，它将PDP 11结构从16位扩充 到32位。VAX是一种通用寄存器机器，它有16个 通用寄存器，但是R14是堆栈指针，R15为程序 计数器PC，是专用的，因此只有其他14个才是真 正的通用寄存器。 VAX的数据类型：整数有8、16、32、64、128位 5种类型，浮点数有32、64、128位3种表示方式 。另外有8n位字符串、4n 位BCD码，其中n为字 符或数字的数量。VAX还支持固定或可变长度的 位串(最长为32位)处理。 /webnew/ 5.6.3 PDP 11与VAX 11基本指令格式 PDP 11是16位小型机，它有两组通用寄存器 (R0R5)，在任一时刻只有一组工作；3个硬件 堆栈指示器(R6)；一个程序计数器PC(R7)。根 据兼容性质，VAX 11应包括PDP 11的全部指令 与寻址方式，即PDP 11上的程序不做任何修改即 可在VAX 11上运行。现以PDP 11的单操作数指 令与双操作数指令为例，对它们的指令格式与寻 址方式作简单介绍。 /webnew/ 5.6.3 PDP 11与VAX 11基本指令格式 1.单操作数指 令 指令格式： 第156位表示操作码。第50位组成一个6位的字 段，既是源地址字段也是目的地址字段。第20位 说明本指令使用8个寄存器中的哪一个，第53位表 示使用哪种寻址方式。其中第3位为0时表示直接寻 址，第3位为1时表示间接寻址，第54位表示4种 基本寻址方式。 单操作数指令有清除(CLR)、增1(INC)、减1(DEC) 、求补(NEG)、测试(TST)等。 /webnew/ 5.6.3 PDP 11与VAX 11基本指令格式 2.双操作数指 令 指令格式： 第1512位表示操作码。第116位组成一个6位字段 ，为源地址字段(第一操作数)；第50位组成另一个6 位字段，既是源操作数字段(第二操作数)，也是目的 操作数字段。 双操作数指令有传送(MOV)、加(ADD)、减(SUB)、比 较(CMP)、按位加(XOR)、逻辑加(BIS)等。 /webnew/ 5.6.3 PDP 11与VAX 11基本指令格式 3. 转移指 令 指令格式： 转移地址=PC+2位移量 4. 寻址方式 这里只讲述单操作数指令与双操作数指令的寻址方式 。 1)直接寻址 表5-1列出了直接寻址的4种基本方式。现以ADD指 令为例，来说明寻址方式。 /webnew/ 方式名 称汇编 程序语法功 能 0寄存器方式Rn 寄存器内容是操作数 2 自动增量方 式 (Rn)+ 寄存器内容是操作数地址，完成指定操作后， 寄存器内容加2 4 自动减量方 式 -(Rn) 寄存器内容减2后作为操作数地址 6变址方式X(Rn) X+(Rn)形成操作数地址，X值存放在紧跟指令后 的存储器单元 表5-1 直接寻址方式 /webnew/ 5.6.3 PDP 11与VAX 11基本指令格式 (1) ADD R2，R4 寻址方式 操作码 寄存器地址 指令代码 0 6 0 2 0 4 (八进制表示) 操作：R2内容加到R4的内容上。 例： 操 作 前 操 作 后 /webnew/ 5.6.3 PDP 11与VAX 11基本指令格式 (2)ADD(R2)+，R4 指令代码062204 操作：R2内容为操作数地址，将此操作数加到R4 的内容上，然后R2的内容加2。 例： 操作前 操作后 /webnew/ 5.6.3 PDP 11与VAX 11基本指令格式 (3)ADD-(R3)，R0 指令代码064300 操作：R3内容减2后作为操作数地址，将此操作数 加到R0的内容上。 例： 操作前 操作后 /webnew/ 5.6.3 PDP 11与VAX 11基本指令格式 (4)ADD 30(R2)，20(R5) 指令代码066265 操作：R2内容加30(加和是001130)作为源操作 数地址，R5内容加20(加和是002020)作为另一 源操作数和目的操作数地址，两个操作数相加后 ，结果(加和是000002)存放在目的地址 (002020)中。 例： 操作前 操作后 /webnew/ 5.6.3 PDP 11与VAX 11基本指令格式 2)间接寻址 表5-2列出了间接寻址的4种方式。间接寻址方式 类似于相应的直接寻址方式，这里仅举两例说明 。 方式名 称汇编 程序语法功 能 1寄存器间址Rn或(Rn) 寄存器内容是操作数地 址 3自动增量间址(Rn)+ 寄存器内容是操作数地 址的地址，操作后寄 存器内容加2 5自动减量间址 -(Rn) 寄存器内容减2后，作 为操作数地址的地址 7变址间址X(Rn) X加(Rn)形成操作数地址 的地址，X值紧跟指 令后存储 表5-2 间接寻址方式 /webnew/ 5.6.3 PDP 11与VAX 11基本指令格式 (1)ADD (R2)，R1 指令代码061201 ADD R2，R1 操作前 操作后 /webnew/ 5.6.3 PDP 11与VAX 11基本指令格式 (2)变址间接方式 ADD 1000(R2)，R1 指令代码067201 当PC作为通用寄存器时，表5-1和表5-2中列出的 寻址方式仍适用，特别是表5-3中所列出的几种情 况有特殊的效果。 方式名 称汇编功 能 2立即型#n存放指令单元的下一个单元内是操作数 3绝对型#n存放指令单元的下一个单元内是操作数地址 6相对型A 指令单元的下一个单元内是操作数地址与指令地 址(PC中)的相对位移量 7相对间接A 指令单元的下一个单元内是操作数地址的地址与 指令地址(PC中)的相对位移量 表5-3 PC作为通用寄存器的特殊寻址方式 /webnew/ 5.6.3 PDP 11与VAX 11基本指令格式 操作前 操作 后 /webnew/ 5.6.4 Pentium 的指令系统 Pentium 是完全的32位机。由于它是Intel公 司在IBM PC上使用的8088 CPU的嫡系后代，所 以虽然Pentium 的性能与8088相比已不可同 日而语，但可以完全向下兼容到8088。Intel公 司的x86系列CPU采用的是CISC指令系统的设计 思想，指令系统规模很庞大，但Pentium 却采 用了一个基于RISC的处理器内核，使用了RISC 的大量特性，使Intel公司的x86系列微处理器的 性能上升到一个崭新的层次。 1Pentium 的指令格式 Pentium 的指令格式比较繁杂，最多可有6个 变长域，其中5个是可选的，如图5-11所示。 /webnew/ 图5-11 Pentium 的指令格式 /webnew/ 5.6.4 Pentium 的指令系统 (1)前缀字节：前缀字节是一个额外的操作码，它 附加在指令的最前面，用于改变指令的操作。 (2)操作码字节：操作码的最低位用于指示操作数 是字节还是字，次低位用于指示内存地址(若需 要访问内存的话)是源地址还是目的地址。 (3)模式字节：模式字节包含了与操作数有关的信 息。该字节可分为2位的MOD字段及两个3位的 寄存器字段REG和R/M。在某些情况下，模式 字节的前3位可用做操作码扩展，这时操作码的 长度就是11位。 /webnew/ 5.6.4 Pentium 的指令系统 Pentium 指令系统规定操作数中必须有一个是 在寄存器中。模式字段MOD与R/M字段组合定义 另一个操作数的寻址方式，REG字段规定了另一 个操作数所在的寄存器。 从逻辑上来说，EAX、EBX、ECX、EDX、ESI、 EDI、EBP和ESP中的任意一个都可以用于源操作 数寄存器和目的操作数寄存器。但是编码规则禁 止了其中的某些组合，而把它们用于特殊的目的 。 /webnew/ 5.6.4 Pentium 的指令系统 (4)额外模式字节SIB：SIB字节定义了一个比例因 子(Scale)和两个寄存器。当出现SIB字节的时候 ，计算操作数地址的方法是：先用变址寄存器 (Index)乘上1、2、4或者8(由比例因子决定)， 然后再加上基址寄存器(Base)，最后再根据MOD 字节来决定是否要加上一个8位或者32位的偏移 量。 (5)偏移量：偏移量字节给出了1、2或者4个字节的 内存地址。 (6)立即数：立即数字节给出了1、2或者4个字节的 常量。 /webnew/ 5.6.4 Pentium 的指令系统 2Pentium 的寻址方式 Pentium 具有很大的地址空间，采用了段页式 存储管理模式，即将内存分为16 384个段，每个 段的容量为4