硬件4 指令系统

1、第四章第四章 指令系统指令系统本章要点本章要点 1了解指令的格式与分类。了解指令的格式与分类。2了解指令的寻址方式。了解指令的寻址方式。 3. 了解了解CISC与与RISC的主要特点。的主要特点。 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指令系统在计算机软件构成中的位置指令系统在计算

2、机软件构成中的位置计算机系统中运行的软件有系统软件和应用软件两种。计算机系统中运行的软件有系统软件和应用软件两种。系统软件系统软件对整个计算机系统进行调度、管理、监视、服务，对整个计算机系统进行调度、管理、监视、服务，为用户使用提供方便，扩大机器功能，提高机器使用效率。为用户使用提供方便，扩大机器功能，提高机器使用效率。应用软件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。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许多通用商品化的应用软件现已成为系统软件, ,如如WordWord等。等。前述所有各种软件的设计基础就是计算机的前述所有各种软件的设

3、计基础就是计算机的指令系统指令系统。名词解释：名词解释：指令指令：命令计算机直接进行某种基本操作的二进制代码：命令计算机直接进行某种基本操作的二进制代码 串串, ,也叫机器语言代码。也叫机器语言代码。指令系统指令系统：一台计算机能直接理解与执行的全部指令的：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。集合称为该机的指令系统。指令系统是进行计算机逻辑设计和编制程序的基本依据。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。不同类型它直接说明了这台计算机的功能。不同类型CPUCPU的指令的指令系统是不能混用与兼容的，但同一系列的系统是不能混用与兼容

4、的，但同一系列的CPUCPU一般升级一般升级后指令都有扩充，并可兼容。后指令都有扩充，并可兼容。目标程序目标程序：为解决某一实际问题而编制的有序的指令集：为解决某一实际问题而编制的有序的指令集合。它们一般是由语言处理程序转换得到的，而并非是合。它们一般是由语言处理程序转换得到的，而并非是直接编写出来的。直接编写出来的。语言处理程序语言处理程序：即汇编、编译或解释等程序。它们把：即汇编、编译或解释等程序。它们把BASICBASIC等高级语言程序通过一定方式转换为目标程序。等高级语言程序通过一定方式转换为目标程序。4.1 指令的结构及其分类指令的结构及其分类4.1.1 指令的结构指令的结构1、典型

5、的指令格式、典型的指令格式一般由两部分组成：一般由两部分组成： 操作码和操作数的地址码：操作码和操作数的地址码： OP A 操作操作 码码 OP指明操作性质的命令码，指明操作性质的命令码，提供指令的操作控制信息。提供指令的操作控制信息。 操作对象操作对象A说明操作数存放的地址，说明操作数存放的地址， 有时则就是操作数本身。有时则就是操作数本身。OP OP A OP A1 A2 OP A1 A2 A32、指令格式的五种类型、指令格式的五种类型根据地址码长度的不同而划分。根据地址码长度的不同而划分。F三地址指令三地址指令 例：例： A1+A2A3，其中其中 A1A1、A2A2为源地址，为源地址，

6、A3A3为目的地址，操作后源地址内容不变为目的地址，操作后源地址内容不变, ,仅被仅被拷贝。拷贝。F多地址指令：用于实现成批数据处理。多地址指令：用于实现成批数据处理。例：例：A1+A2A1，A2为源地址，为源地址， A1A1目的地址目的地址F二地址指令二地址指令例如：递增，移位，取反，例如：递增，移位，取反，INC AX，NOT BX F一地址指令一地址指令 例如：例如：NOP 、HLT，也叫无操作数指令也叫无操作数指令F零地址指令零地址指令 4.1.2 指令的分类指令的分类 一个指令系统常有几十、几百条指令（一个指令系统常有几十、几百条指令（Intel 8086具有具有133条指令），但按

7、功能可以划分为如下几大类：条指令），但按功能可以划分为如下几大类：1、数据传送指令、数据传送指令 用以实现给寄存器或存储单元赋值，寄存器用以实现给寄存器或存储单元赋值，寄存器与寄存器之间与寄存器之间、寄存器与内存单元之间等的数据寄存器与内存单元之间等的数据传送。数据能够从源地址被传送到目的地址，而传送。数据能够从源地址被传送到目的地址，而源地址中数据不变源地址中数据不变拷贝。拷贝。例：例：MOV AX，5 MOV EAX，12345678H MOV DS,AX2、算术与逻辑运算指令、算术与逻辑运算指令算术运算指令：一般包括定点、浮点的加、算术运算指令：一般包括定点、浮点的加、减、乘、除运算。根

8、据运算结果改变标志减、乘、除运算。根据运算结果改变标志寄存器的状态位。寄存器的状态位。 助记符：助记符： ADD，ADC，SUB，SBB，INC，DEC，DIV，MUL，CMPl逻辑运算：一般包括逻辑与，逻辑或，逻逻辑运算：一般包括逻辑与，逻辑或，逻辑非，逻辑异或等运算，是以二进制为单辑非，逻辑异或等运算，是以二进制为单位按位进行运算。位按位进行运算。l OR，AND，XOR，NOT等等3、移位指令、移位指令算术移位：左移时空位补算术移位：左移时空位补0而符号位进标志位，右而符号位进标志位，右移时空位复制符号位，而移出位进标志位。移时空位复制符号位，而移出位进标志位。逻辑移位：整体移位，空位补

9、逻辑移位：整体移位，空位补0，移出位进标志位。，移出位进标志位。循环移位：有不带进位循环和带进位循环。前者循循环移位：有不带进位循环和带进位循环。前者循环后的移出位进标志位，后者与标志位一起循环。环后的移出位进标志位，后者与标志位一起循环。4、输入、输出指令输入、输出指令完成在中央处理器和外设之间进行数据交换。完成在中央处理器和外设之间进行数据交换。输入指令使数据由外设传送到处理机输入指令使数据由外设传送到处理机 ;输出指令使数据由处理机传送到外设。输出指令使数据由处理机传送到外设。 5、转移指令、转移指令无条件转移指令：强迫无条件转移指令：强迫CPU运行程序地址转运行程序地址转移至新地址开始

10、执行程序。移至新地址开始执行程序。 有条件转移指令：根据当前运算的结果进行有条件转移指令：根据当前运算的结果进行逻辑判断，符合判断条件则转移到指令表明逻辑判断，符合判断条件则转移到指令表明的新地址处执行程序，否则继续按原顺序执的新地址处执行程序，否则继续按原顺序执行原来的程序。行原来的程序。 6、调用指令和返回指令、调用指令和返回指令l调用指令实现从一个程序转去执行子程序调用指令实现从一个程序转去执行子程序的操作；的操作；l返回指令则使返回指令则使CPU结束执行子程序而返回执结束执行子程序而返回执行原程序。行原程序。7、字符串处理指令、字符串处理指令用于各种文字编辑与排版处理用于各种文字编辑与

11、排版处理包括：字符串的传送、比较、查找、匹配以包括：字符串的传送、比较、查找、匹配以及字符串的抽取和字符串的替换等操作指令。及字符串的抽取和字符串的替换等操作指令。8、其它特殊指令、其它特殊指令专用指令用来完成特殊的专门操作。如：暂停、等专用指令用来完成特殊的专门操作。如：暂停、等待、空操作、位操作、以及开中断、关中断等等。待、空操作、位操作、以及开中断、关中断等等。特权指令分配和管理系统资源，防止非法用户对系特权指令分配和管理系统资源，防止非法用户对系统资源及其他用户程序的修改、打印以及删除等。统资源及其他用户程序的修改、打印以及删除等。需要说明的是：计算机种类不同其指令系统包括数量与功能有

12、需要说明的是：计算机种类不同其指令系统包括数量与功能有所不同，用其编程时务必参照相应的指令系统手册。所不同，用其编程时务必参照相应的指令系统手册。4.2 指令的寻址方式指令的寻址方式寻址方式：指令中如何提供操作数或寻址方式：指令中如何提供操作数或操作数地址。操作数地址。l不同类型计算机的寻址方式有所差别，不同类型计算机的寻址方式有所差别，但大多可以归结为立即寻址、直接寻址、但大多可以归结为立即寻址、直接寻址、间接寻址、变址寻址以及相对寻址等几种间接寻址、变址寻址以及相对寻址等几种寻址方式，或者这几种方式的组合与变形。寻址方式，或者这几种方式的组合与变形。指令的地址码部分就是指令的操作数。指令的

13、地址码部分就是指令的操作数。优点：取指同时取得操作数，提高指令优点：取指同时取得操作数，提高指令的运行速度。的运行速度。缺点：操作数的长度受指令长度的影响，缺点：操作数的长度受指令长度的影响，且不便修改。适合操作数固定的情况。且不便修改。适合操作数固定的情况。例：例： MOV AX，1AH的结果：的结果： （ AX ） 1AH一、立即寻址一、立即寻址二、直接寻址二、直接寻址指令的地址码部分给出的就是操作数在存指令的地址码部分给出的就是操作数在存储器中的地址。储器中的地址。存储器存储器OP A 操作数操作数 0110Hl特点：简单直观，便于特点：简单直观，便于硬件实现，但操作数地硬件实现，但操作

14、数地址是指令的一部分，只址是指令的一部分，只能用能用 于访问固定的存储于访问固定的存储器单元。器单元。l例：例： MOV AX，0110H三、寄存器寻址三、寄存器寻址在指令的地址码部分给出某一寄存器的名在指令的地址码部分给出某一寄存器的名称，而所需的操作数就在这个寄存器中。称，而所需的操作数就在这个寄存器中。特点：数据传送快，计算机中多用。特点：数据传送快，计算机中多用。l例：例：MOV AX，BX ；BX为源操作数地址，为源操作数地址，AX为目的操作数地址，操作的结果为将为目的操作数地址，操作的结果为将BX中的中的数据传送（拷贝）到数据传送（拷贝）到AX中。中。四、寄存器间接寻址四、寄存器间

15、接寻址在指令的地址码部分直在指令的地址码部分直接给出的既不是操作数接给出的既不是操作数也不是操作数的地址，也不是操作数的地址，而是操作数地址的地址。而是操作数地址的地址。 存储器存储器OP Rn A:操作数操作数Rn: Al优点：改变寄存器优点：改变寄存器 RnRn中的中的内容就可访问内存内容就可访问内存的不同地址。修改十分的不同地址。修改十分方便。方便。l缺点：二次寻址速度慢。缺点：二次寻址速度慢。l例：例：MOV AX，BX1、基址寻址方式、基址寻址方式u操作数的有效地址是一个基址寄存器的内容加上操作数的有效地址是一个基址寄存器的内容加上偏移量。偏移量。u例：例：8086的基址寄存器为的基

16、址寄存器为BX和和BP u mov AX,BX+6 ;(AX) (BX)+6)OP . Rx AKRx:加加法法器器存储器存储器操作数操作数A+K：A：2、变址寻址方式、变址寻址方式u操作数的有效地址是一个变址寄存器的内容加操作数的有效地址是一个变址寄存器的内容加上偏移量。上偏移量。基址寻址面向系统，解决程序的存储定位问题；基址寻址面向系统，解决程序的存储定位问题；变址寻址面向用户，用以访问字串和数组。变址寻址面向用户，用以访问字串和数组。u例：例： 8086的变址寄存器为的变址寄存器为SI和和DI u mov AX,SI+100H ;(AX) (SI)+100H) 3、基址变址寻址、基址变址

17、寻址u例：例：mov AX,BP+SI+6u;(AX) (BP)+(SI)+6)u操作数的有效地址是基址寄存器，变址寄存器操作数的有效地址是基址寄存器，变址寄存器和偏移量三者相加产生。和偏移量三者相加产生。五、相对寻址五、相对寻址 有效地址是指令中地址码部分给出有效地址是指令中地址码部分给出的形式地址的形式地址( (偏移量偏移量Disp)Disp)与程序计数器与程序计数器PCPC的内容之和。即有效地址是以当前的内容之和。即有效地址是以当前PCPC的内容为基准浮动的，浮动的距离就是的内容为基准浮动的，浮动的距离就是偏移量。偏移量。 偏移量可正可负，通常用补码表示。偏移量可正可负，通常用补码表示。

18、 相对寻址方式主要应用于相对转移相对寻址方式主要应用于相对转移指令。由于目的地址随指令。由于目的地址随PCPC变化不固定，变化不固定，所以非常适用于浮动程序的装配与运行。所以非常适用于浮动程序的装配与运行。4.3 精简指令系统计算机精简指令系统计算机(RISC)简介简介一、一、RISCRISC由来由来 计算机的不断升级扩充，同时又兼容过去产品使计算机的不断升级扩充，同时又兼容过去产品使指令系统日趋复杂，形成了指令系统日趋复杂，形成了“复杂指令系统计算机复杂指令系统计算机( (CISC)”CISC)”。 复杂指令系统增加硬件复杂性，降低机器运行速复杂指令系统增加硬件复杂性，降低机器运行速度。度。经实际分析发现：经实际分析发现： 1 1、各种指令使用频率相差悬殊。、各种指令使用频率相差悬殊。80%80%指令使用很少。指令使用很少。 2 2、指令系统的复杂性带来系统结构的复杂性，增、指令系统的复杂性带来系统结构的复杂性，增加了设计时间和售价，也增加了加了设计时间和售价，