第 4 章 指令、指令系统和控制器部件

第4章指令、指令系统和控制器部件一、指令系统综述：指令与指令格式，寻址方式。基本指令系统：教学计算机的指令系统和汇编程序设计。扩充性知识：PDP-11机指令系统，NOVA机指令系统。二、控制器的功能和组成

控制器的功能，控制器的组成，指令的执行步骤。

控制器的分类：微程序控制器和组合逻辑控制器。三、微程序控制器的运行原理

微指令的格式：下地址字段和控制命令字段。四、教学计算机的微程序控制器

指令分类与典型指令的执行过程，

微程序分析，设计新指令的微程序及调试运行。五、组合逻辑控制器的组成与运行原理

8位教学实验计算机的组成与设计实例。返回一、指令系统指令:功能定义用法指令格式:操作码

操作数地址固定长度可变长度交叉安排无地址一地址二地址多地址2.寻址方式外设寻址入/出端口地址方式统一映象方式主存寻址寄存器寻址直接寻址变址寻址寄存器间址间接寻址相对寻址基地址寻址立即数寻址堆栈寻址1.指令与指令格式返回计算机系统由硬件和软件两部分组成。硬件指由中央处理机、存储器以及外部设备等组成的实际装置。软件是为便于用户使用计算机而编写的各种程序，它实际上是由一系列机器指令组成的。指令是用户使用计算机和计算机运行的最小的功能单位，一台计算机支持（或称使用）的全部指令构成该计算机的指令系统，它对计算机本身的硬件结构的复杂程度和运行性能，对用户完成程序设计的难易程度和工作效率，有非常重要的影响，必须对设计指令系统的工作给以足够的重视，慎重确定。返回对指令系统的要求完备性:指令齐全，编程方便高效性：占内存少，运行省时规整性：指令与运算规则统一兼容性：新旧机指令软件兼容当前的计算机指令系统，从其构成的复杂和完备程度，或者说设计中追求的不同的目标，区分，可分为CISC和RISC两类：RISC（ReducedInstructionSetComputer）,通常称为精简指令系统的计算机，只有数目较少、格式与功能简单、运行高效的指令，追求的是计算机控制器实现简单，运行高速，更容易在单块超大规模集成电路中芯片内制做出来。CISC（ComplexInstructionSetComputer）,通常称为复杂指令系统的计算机，是相对于RISC一词而提出来的一种说法。其特点是：指令条数多，格式多样，寻址方式复杂，每条指令的功能强，优点是汇编程序设计容易些，但计算机控制器的实现困难多，很多指令被使用的机会并不多。返回指令格式指令：功能、定义、用法指令格式：操作码操作数地址固定长度（IBM/PC）扩展长度（PDP-11）交叉安排（NOVA)无地址一地址二地址多地址三种方案按操作数个数划分教学计算机的操作码：TEC-2机采用8位固定长度TEC-200016位机采用8位固定长度TEC-20008位机采用逐段扩展长度返回寻址方式寻址方式（又称编址方式）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。不同的计算机系统,使用数目和功能不同的寻址方式，其实现的复杂程度和运行性能各不相同。有的计算机寻址方式较少，而有些计算机采用多种寻址方式。通常需要在指令中为每一个操作数专设一个地址字段，用来表示数据的来源或去向的地址。在指令中给出的操作数的地址被称为形式地址，使用形式地址信息并按一定的规则计算出来的一个数值才是数据（或指令）的实际地址。在指令的操作数地址字段，可能要指出：

①运算器中的累加器的编号或专用寄存器名称（编号）

②输入/输出指令中用到的I/O设备的入出端口地址

③内存储器的一个存储单元（或一I/O设备）的地址有多种基本寻址方式

和某些符合寻址方式,简介如下:返回计算机的CPU中一般设置有一定数量的通用寄存器，用于存放操作数、操作数地址或中间结果。假如指令地址码字段给出某一通用寄存器的编号（地址），且所需的操作数就在这一寄存器中，这就是寄存器寻址方式；若该寄存器中存放的是操作数在内存储器中所在单元的地址，这就是寄存器间接寻址方式。可通过指令的操作码或另设一个字段，来区分这两种不同的寻址方式。1、寄存器寻址、寄存器间接寻址例：RegNo.=5，使用5#累加器 ，此时5#累加器中的内容为7，可记为(R5)=7，对寄存器寻址方式，操作数就是这里的数值7对寄存器间接寻址，从内存7#单元读出来的数才是操作数返回2、立即数寻址所需的一个操作数在指令的地址码部分直接给出。则Num即为操作数的值。适用于操作数固定的情况，提高了指令的执行速度，当该立即数的值限定为较小值（占用位数少）时，可在第一个指令字中直接给出，否则可在第二个指令字中给出。返回在指令的地址码字段直接给出所需的操作数（或指令）在存储器中的地址。则Addr为操作数在存储器中的地址。

或转移指令等用到的指令地址。3、直接寻址例：Addr=H5718，这里的H表示5718是16进制的值[H5718]=3，内存储器5718单元中的内容为3，则操作数就是这里的3，或下一条指令的地址为3。常用于读写内存的指令或转移等指令中。内存储器操作数返回操作数的地址由指定的变址寄存器（由Reg指定）的内容和指令中的地址码（Disp）相加得到。4、变址寻址通用寄存器加法器存储器操作数例：Disp=H18，Reg=5，(R5)=H5700则操作数地址=H5718便于对数组元素进行处理，是计算机中常用的一种寻址方式。返回 操作数（或指令）的地址由程序计数器PC的内容（即当前执行指令的地址）和指令的地址码相加得到。5、相对寻址例：Disp=H48 (PC)=H5600则实际地址=H56481．主要用于转移指令，对浮动程序很有用。2．位移量可正可负，通常用补码表示。返回指令的地址码字段给出的内容既不是操作数，也不是操作数的地址，而是操作数（或指令）地址的地址，这被称为间接寻址方式，多一次读内存储器的操作。6、间接寻址存储器操作数Addr1指令中的Addr可以用其他寻址方式给出，例如变址寻址，这就成为变址寻址与间接寻址的复合寻址方式。返回在计算机中设置一个专用的基址寄存器，操作数（或指令）的地址通过基址寄存器的内容和指令中的地址码相加得到。7、基址寻址基址寄存器加法器存储器操作数例：Disp=H18，[BS]=H5700则操作数地址=H5718主要用于为程序或数据分配存储区，对多道程序或浮动程序很有用，解决了程序在存储器中的定位和扩大寻址空间等问题。返回堆栈是内存储器中一块按“后进先出”原则进行读写的存储区，并通过一个专用的寄存器（称为堆栈指针SP）给出堆栈的栈顶（和次栈顶）地址完成数据的读写操作，故不必在指令中用操作数地址字段给堆栈地址。通常在读写操作的前后伴随有计算机自动（不是用户通过指令）修改SP内容的动作，以确保按正确的“后进先出”原则读写堆栈区。例如：（SP）-1SP和AR，即SP的内容减1存回SP，并送内存地址寄存器，接下来才可以把数据写到堆栈中。完成一次读堆栈操作后，要接着执行（SP）+1SP的一次自动修改SP内容的操作。8、堆栈寻址

需要注意的是，指令长度可能是一个字，也可能是两个字或多个字，要看操作数地址字段的位数要求，由具体的情况决定。返回教学机的指令格式单字指令仅用一个指令字。双字指令要用两个指令字,此时第二个指令字的内容可能是立即数、一个绝对地址或一个变址位移量。操作码条件码目的寄存器源寄存器I/O端口地址条件转移指令的偏移量直接数/内存地址/指令中变址偏移量6位2位4位4位返回第一个指令字分为三个主要部分。最高6位是操作码。从这个意义上讲,教学机的基本指令是固定长度的操作码结构,最多支持64条基本指令。中间的两位,即第9、8两位是条件码。目前我们把它用作条件转移指令的判断条件。

最低的8位有多种用法：1或2个寄存器的编号，入/出端口的地址，或用于给出相对转移指令的偏移量教学机的指令格式操作码条件码目的寄存器源寄存器I/O端口地址相对转移指令的偏移量直接数/内存地址/指令中变址偏移量6位2位4位4位返回第二单元作业与第一次实验题目的:学习TEC-2机监控程序的用法与实现技术;

熟悉TEC-2机的指令系统和汇编程序设计;

复习第一单元学过的码制转换和数据运算。教学实验内容：1.用

TEC-2机指令设计并调试原码一位乘和补码一位除两个子程序。2.用TEC-2