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指令系统

指令是指计算机执行一些操作命令，一台计算机全部指令集合组成该机指令系统。指令系统第1页从计算机组成层次结构来说，计算机指令有微指令、机器指令和宏指令之分。

微指令：微程序级命令，它属于硬件；

宏指令：由若干条机器指令组成软件指令，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算术运算或逻辑运算。指令系统第2页指令系统发展

50年代：指令系统只有定点加减、逻辑运算、数据传送、转移等十几至几十条指令。60年代后期：增加了乘除运算、浮点运算、十进制运算、字符串处理等指令，指令数目多达一二百条，寻址方式也趋多样化。60年代后期开始出现系列计算机(指基本指令系统相同、基本体系结构相同一系列计算机)一个系列往往有各种型号，它们在结构和性能上有所差异。同一系列各机种有共同指令集而且新推出机种指令系统一定包含全部旧机种全部指令,旧机种上运行各种软件能够不加任何修改便可在新机种上运行，大大降低了软件开发费用。

70年代末期:大多数计算机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)。

不过如此庞大指令系统难以确保正确性，不易调试维护，造成硬件资源浪费。为此人们又提出了便于VLSI技术实现精简指令系统计算机（RISC）。指令系统第3页一个完善指令系统应满足以下四方面要求：1.完备性

用汇编语言编写各种程序时，指令系统直接提供指令足够使用，而无须用软件来实现。完备性要求指令系统丰富、功效齐全、使用方便。

2.有效性

利用该指令系统所编写程序能够高效率运行。高效率主要表现在程序占据存放空间小、执行速度快。普通来说，一个功效更强、更完善指令系统，必定有更加好有效性。3.规整性

规整性包含指令系统对称性、匀齐性、指令格式和数据格式一致性。

对称性指在指令系统中全部存放器和存放器单元都可同等对待，全部指令都可使用各种寻址方式；

匀齐性是指一个操作性质指令能够支持各种数据类型；

指令格式和数据格式一致性是指指令长度和数据长度有一定关系，以方便处理和存取。4.兼容性

系列机各机种之间含有相同基本结构和共同基本指令集，因而指令系统是兼容，即各机种上基本软件能够通用。但因为不一样机种推出时间不一样，在结构和性能上有差异，做到全部软件都完全兼容是不可能，只能做到“向上兼容”，即低级机上运行软件能够在高档机上运行。指令系统第4页指令格式机器指令基本格式

操作码字段地址码字段操作码指明了指令操作性质及功效，地址码则给出了操作数地址。指令系统第5页操作码操作码字段表征指令操作特征与功效；操作码字段位数取决于指令系统规模，有固定位数和可变位数；若操作码字段位数固定为n位，则指令系统最多可表示2n条指令。指令系统第6页操作码指令系统每一条指令都有一个操作码，它表示该指令应进行什么性质操作。不一样指令用操作码字段不一样编码来表示，每一个编码代表一个指令。组成操作码字段位数普通取决于计算机指令系统规模。比如，一个指令系统只有8条指令，则有3位操作码就够；假如有32条指令，那么就需要5位操作码。对于一个机器指令系统，在指令字中操作码字段和地址码字段长度通常是固定。在单片机中，因为指令字较短，为了充分利用指令字长度，指令字操作码字段和地址码字段是不固定，即不一样类型指令有不一样划分，方便尽可能用较短指令字长来表示越来越多操作种类，并在越来越大存放空间中寻址。指令系统第7页地址码地址码字段通常指定参加操作操作数地址或操作数本身。

依据一条指令中有几个操作数地址，可将该指令称为几操作数指令或几地址指令。

普通操作数有被操作数、操作数及操作结果这三种数，因而就形成了三地址指令格式。在此基础上，以后又发展成四地址、二地址格式、一地址格式和零地址格式指令系统第8页地址码结构

（1）、四地址指令（2）、三地址指令（3）、二地址指令（4）、一地址指令（5）、零地址指令指令系统第9页

（1）四地址指令

OPA1A2A3A4指令含义（A1）OP（A2）A3A4表示下条要执行指令地址。指令系统第10页（2）三地址指令OPA1A2A3(A1)OP(A2)A3

隐含（PC）+1PC

A1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为存放结果地址。一样，A1，A2，A3能够是内存中单元地址，也能够是运算器中通用存放器地址。指令系统第11页（3）二地址指令OPA1A2(A1)OP(A2)A1隐含（PC）+1PC二地址指令常称为双操作数指令，它两个地址码字段分别指明参加操作两个数在内存中或运算器中通用存放器地址，A1作存放操作结果地址。指令系统第12页（4）一地址指令OPA1(AC)OP(A1)AC隐含（PC）+1PC这种指令也有两种情况：一是指令本身只需要一个操作数，如求反指令NOT；二是即使需要两个操作数，但指令以运算器中累加存放器AC中数据为被操作数，指令字地址码字段所指明数为操作数，操作结果又放回累加存放器AC中。指令系统第13页

（5）零地址指令

OP这种指令有两种情况：一是该指令不需要操作数，如空操作指令NOP；二是该指令隐含一个操作数位于累加器AC中。如十进制修正指令DAA。指令系统第14页指令字长度指令字长度：一个指令字中包含二进制代码位数。有等长和变长两种。等长指令处理结构简单，在对于操作码字段位数可变情况下，利用地址码个数不一样，可将操作码向地址码部分延伸，从而增加指令条数。

机器字长：计算机能直接处理二进制数据位数，它决定了计算机运算精度。指令系统第15页其中:L为指令字长度，N为机器字长度指令系统第16页使用多字长指令，目标在于提供足够地址位来处理访问内存任何单元寻址问题。其主要缺点是必须两次或屡次访问内存以取出一整条指令，降低了CPU运算速度，又占用了更多存放空间。等长指令字结构:各种指令字长度是相等。这种指令字结构简单，且指令字长度是不变。变长指令字结构:各种指令字长度随指令功效而异。结构灵活，能充分利用指令长度，但指令控制较复杂。指令系统第17页指令助记符因为硬件只能识别1和0，所以采取二进制操作码是必要，不过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，每条指令通惯用3个或4个英文缩写字母来表示。这种缩写码叫做指令助记符。指令系统第18页经典指令助记符典型指令

指令助记符

二进制操作码

加法

ADD001减法

SUB010传送

MOV011跳转

JMP100转子

JSR101存储

STR110读数

LDA111指令系统第19页如上表所表示，这里我们假定指令系统只有7条指令，所以操作码只需3位二进制。因为指令助记符提醒了每条指令意义，所以比较轻易记忆，书写起来比较方便，阅读程序轻易了解。

需要注意是，在不一样计算机中，指令助记符要求是不一样。所以，指令助记符还必须转换成与它们相对应二进制码。这种转换借助汇编程序能够自动完成，汇编程序相当于一个“翻译”。指令系统第20页指令扩展技术

假如指令长度一定，则地址码与操作码字段长度是相互制约。为了处理这一矛盾，让操作数地址个数多指令（三地址指令）地址码字段短些，操作数地址个数少指令（一或零地址指令）操作码字段长些，这么既能充分地利用指令各个字段，又能在不增加指令长度情况下扩展操作码位数，使它能表示更多指令.指令系统第21页指令扩展技术

例：设某机指令长度为16位，操作码字段为4位，有三个4位地址码字段，其格式为：

OPA1A2A3指令系统第22页寻址技术把指令中地址码字段给出地址称为形式地址（用字母A表示），这个地址有可能不能直接用来访问内存。形式地址经过某种运算而得到能够直接访问内存地址称为有效地址（用字母EA表示）。从形式地址生成有效各种方式称为寻址方式。指令系统第23页寻址技术基本寻址方式（1）、马上寻址指令地址字段指出不是操作数地址，而是操作数本身。这种方式特点是指令执行时间很短，不需要访问内存取数。比如：单地址移位指令格式为

OP(移位)

F

D这里D不是地址，而是一个操作数。F为标志位，当F＝1，操作数进行右移；当F＝0时，操作数进行左移。指令系统第24页（2）、直接寻址S=（A）指令中地址码字段给出地址A就是操作数有效地址，即形式地址等于有效地址：EA=A。指令系统第25页(3)存放器直接寻址S=（R1）存放器直接寻址指令地址码部分给出某一个通用存放器编号，这个指定存放器中存放着操作数。指令系统第26页寻址技术（4）间接寻址间接寻址意味着指令中给出地址A不是操作数地址；而是存放操作数地址内存单元地址，简称操作数地址地址。通常在指令格式中划出一位作为直接或间接寻址标志位。间接寻址方式是早期计算机中经常采取方式，但因为两次访存，影响指令执行速度，现在已不大使用。指令系统第27页寻址技术（5）存放器间接寻址为了克服间接寻址中访存次数多缺点，可采取存放器间接寻址，即指令中地址码给出某一通用存放器编号，在被指定存放器存放操作数有效地址，而操作数则存放在内存单元中，指令系统第28页寻址技术（6）变址寻址S=（A+(Rx)）但使用变址寻址方式目标不在于扩大寻址空间，而在于实现程序块规律性改变。指令系统第29页寻址技术（7）基址寻址S=（(Rb)+D）基址寻址方式是将CPU中基址存放器内容加上指令格式中形式地址而形成操作数有效地址。

它优点是能够扩大寻址能力。同形式地址相比，基址存放器位数能够设置得很长，从而能够在较大存放空间中寻址。指令系统第30页寻址技术（8）相对寻址EA=（PC）+D相对寻址是基址寻址一个变通，由程序计数器PC提供基准地址，指令中地址码字段作为位移量D，二者相加后得到操作数有效地址，即EA=（PC）+D。位移量指出是操作数和现行指令之间相对位置。指令系统第31页[例]一个二地址RS型指令结构以下所表示：

其中I为间接寻址标志位，X为寻址模式字段，D位偏移量字段。经过I，X，D组合，可组成下表所表示寻址方式。请写出六种寻址方式名称。指令系统第32页[解]：⑴直接寻址⑵相对寻址⑶变址寻址⑷存放器间接寻址⑸间接寻址⑹基址寻址指令系统第33页指令类型1、数据传送类指令数据传送指令主要包含取数指令、存数指令、传送指令、成组传送指令、字节交换指令、清累加器指令、堆栈操作指令等等。这类指令主要用来实现主存和存放器之间，或存放器和存放器之间数据传送。指令系统第34页2.算术运算指令这类指令包含二进制订点加、减、乘、除指令，浮点加、减、乘、除指令，求反、求补指令，算术移位指令，算术比较指令，十进制加、减运算指令等。这类指令主要用于定点或浮点算术运算，大型机中有向量运算指令，直接对整个向量或矩阵进行求和、求积运算。3.逻辑运算指令这类指令包含逻辑加、逻辑乘、按位加、逻辑移位等指令，主要用于无符号数位操作、代码转换、判断及运算。移位指令用来对存放器内容实现左移、右移或循环移位。指令系统第35页4.程序控制指令程序控制指令也称转移指令。执行程序时，有时机器执行到某条指令时，出现了几个不一样结果，这时机器必须执行一条转移指令，依据不一样结果进行转移，从而改变程序原来执行次序。这种转移指令称为条件转移指令。除各种条件转移指令外，还有没有条件转移指令、转子程序指令、返回主程序指令、中止返回指令等。转移指令转移地址普通采取直接寻址和相对寻址方式来确定。5.输入输出指令输入输出指令主要用来开启外围设备，检验测试外围设备工作状态，并实现外部设备和CPU之间，或外围设备与外围设备之间信息传送。指令系