第5章 指令系统

第5章指令系统指令系统主要包括：指令功能和指令格式指令功能：CISC和RISC指令格式：操作码和地址码指令：是指示计算机某种操作的命令。微指令，机器指令，宏指令指令系统：一台计算机中所有机器指令的集合。它是机器硬件设计的依据，也是软件设计的基础。它决定了一台计算机硬件的主要性能和基本功能。指令系统是软件和硬件分界面的一个主要标志硬件设计人员采用各种手段实现它；软件设计人员则利用它编制各种各样的系统软件和应用软件一、指令的一般格式

操作码

地址码指令格式则是指令字用二进制代码表示的结构形式，由操作码字段和地址码字段组成。做什么操作如果需要操作数，从哪里取结果送哪里下一条指令从哪里取设计指令格式包括：指令长度、操作码和地址码5.1指令格式1.操作码反映机器做什么操作。如进行加法、减法、乘法、除法、取数、存数等等。组成操作码字段的位数一般取决于计算机指令系统的规模。例如，一个指令系统只有8条指令，则有3位操作码就够；如果有32条指令，那么就需要5位操作码。(1)长度固定（指令规整，译码简单）例如IBM370机，该机字长32位，16个通用寄存器R0～R15，共有183条指令；指令的长度可以分为16位、32位和48位等几种，所有指令的操作码都是8位固定长度。(2)长度可变(扩展操作码技术)操作码的位数随地址数的减少而增加OP

A1

A2

A3000000011110…A1A1A1…A2A2A2…A3A3A3…A2A2A2…A3A3A3…111111111111…000000011110…111111111111…111111111111…111111111111…000000011111…111111111111…111111111111…A3A3A3…000000011110…4位操作码8位操作码12位操作码16位操作码最多15条三地址指令最多15条二地址指令最多15条一地址指令16条零地址指令2.地址码根据一条指令中有几个操作数地址，指明该指令源操作数、目的操作数以及下一条指令的地址。可将该指令称为几操作数指令或几地址指令。四地址指令三地址指令二地址指令单地址指令零地址指令

操作码

地址码(1)四地址指令(2)三地址OP

A1

A2

A3

A486666A1

第一操作数地址A2

第二操作数地址A3

结果的地址A4

下一条指令地址若PC代替A4(A1)OP(A2)A38888OP

A1

A2

A3(A1)OP(A2)A34次访存4次访存寻址范围26=64寻址范围28=256若A3用A1或A2代替设指令字长为32位操作码固定为8位(3)二地址OP

A1

A281212(A1)OP(A2)A1(A1)OP(A2)A2或4次访存若ACC代替A1（或A2）若结果存于ACC(4)一地址(5)零地址OP

A1824无地址码(ACC)OP(A1)ACC2次访存寻址范围212=4K寻址范围224=16M3次访存二、指令字长指令字长决定于操作码的长度指令字长=存储字长=机器字长操作数地址的长度操作数地址的个数1.指令字长固定访问某个存储单元就可以取出一条完整的指令或完整的数据，控制比较简单。2.指令字长可变按字节的倍数变化，单字长指令和多字长指令。硬件实现电路复杂，执行速度慢。小结当用一些硬件资源代替指令字中的地址码字段后当指令的地址字段为寄存器时可扩大指令的寻址范围可缩短指令字长可减少访存次数三地址OPR1,

R2,R3二地址OPR1,R2

一地址OPR1

指令执行阶段不访存可缩短指令字长设某机为定长指令字结构，指令长度12位，每个地址码占3位，能否构成：三地址指令4条，单地址指令255条，零地址指令64条？4条三地址指令，8条二地址指令，180条单地址指令。OPA1A2333A33

000001010011单地址指令64条单地址指令64条单地址指令64条单地址指令63条三地址指令4条(100)→OP=9位

100000000111111(101)→OP=9位

101000000111111(110)→OP=9位

110000000111111(111)→OP=9位

111000000111110单地址指令255条(111111111)→OP=12位

111111111000111111111零地址指令8条不能，因为按此分配方案，零地址指令只能有8条，不够64条。5.2寻址方式寻址方式

确定本条指令的操作数地址下一条欲执行指令的指令地址指令寻址数据寻址寻址方式5.2寻址方式(重点)一、指令寻址顺序(PC)+1PC跳跃由转移指令指出LDA1000ADD1001DEC1200JMP7LDA2000SUB2001INCSTA2500LDA1100...0123456789PC+1指令地址寻址方式指令地址指令顺序寻址1顺序寻址2顺序寻址3跳跃寻址7顺序寻址8二、数据寻址形式地址A：指令字中的地址有效地址EA：操作数的真实地址，由形式地址和寻址方式来确定。

指令字长=存储字长=机器字长形式地址A操作码寻址特征操作数的寻址方式：（10种）立即寻址、直接寻址、间接寻址、隐含寻址寄存器寻址、寄存器间接寻址、基值寻址、变址寻址、相对寻址堆栈寻址1.立即寻址OP

#

A立即寻址特征立即数可正可负补码形式地址A就是操作数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。立即寻址方式的特点：指令执行阶段不访存，指令执行时间很短。A的位数限制了立即数的范围2.直接寻址操作数主存寻址特征OPAA执行阶段访问一次存储器

A的位数决定了该指令操作数的寻址范围操作数的地址不易修改（必须修改A）在指令格式的地址字段中直接指出操作数在内存的地址，即EA=A。由于操作数的地址直接给出而不需要经过某种变换或运算，所以称这种寻址方式为直接寻址方式。3.间接寻址EA=（A）有效地址由形式地址间接提供OPA寻址特征AEA主存EAA1EA

A1主存

EA10执行指令阶段2次访存可扩大寻址范围便于编制程序OPA寻址特征A一次间址多次间址操作数操作数多次访存@间址特征……子程序主程序…8081201202调用子程序调用子程序间接寻址编程举例(A)=81(A)=202……@间址特征JMP@A…

……

…4.隐含寻址操作数地址隐含在操作码中ADDA操作数主存寻址特征AACC暂存ALU另一个操作数隐含在ACC中如8086MUL指令被乘数隐含在AX（16位）或AL（8位）中MOVS指令源操作数的地址隐含在SI中目的操作数的地址隐含在DI中指令字中少了一个地址字段，可缩短指令字长5.寄存器寻址EA=Ri执行阶段不访存，只访问寄存器，执行速度快OPRi寻址特征寄存器个数有限，可缩短指令字长操作数…………R0RiRn寄存器有效地址即为寄存器编号EA=(Ri

)6.寄存器间接寻址

有效地址在寄存器中，操作数在存储器中，执行阶段访存操作数主存OPRi寻址特征

便于编制循环程序地址…………R0RiRn寄存器有效地址在寄存器中7.基址寻址（隐式和显式）(1)采用专用寄存器作基址寄存器（隐式）EA=(BR)+ABR为基址寄存器OPA操作数主存寻址特征ALUBR

可扩大寻址范围

BR内容由操作系统或管理程序确定

在程序的执行过程中BR内容不变，形式地址A可变(2)

采用通用寄存器作基址寄存器（显式）操作数主存寻址特征ALUOPR0AR0

作基址寄存器由用户指定哪个通用寄存器作为基址寄存器通用寄存器R0Rn-1R1…基址寄存器的内容由操作系统确定在程序的执行过程中R0内容不变，形式地址A可变8.变址寻址EA=(IX)+AOPA操作数主存寻址特征ALUIX可扩大寻址范围便于处理数组问题

IX的内容由用户给定IX为变址寄存器（专用）在程序的执行过程中IX内容可变，形式地址A不变通用寄存器也可以作为变址寄存器比较基址寻址和变址寻址

1.相同点：都是把某个变址寄存器或基值寄存器的内容，加上指令格式中的形式地址A而形成操作数的有效地址EA。都可有效地扩大指令寻址范围。2.不同点：基址寻址适用于为程序或数据分配存储空间，它的内容通常由操作系统或管理程序来确定。同时，基址寄存器,内容不变，地址的改变反映在位移量A的取值上，形式地址A可变。变址寻址适用于数组或字符串处理，设定A为数组的首地址，不断改变变址寄存器IX的内容，这样很容易到达数组内容的任一数据的地址，特别适合编制循环程序。变址寄存器内容通常由用户设定。变址寻址时，IX内容可变，形式地址A不变。9.相对寻址

EA=(PC)+AA是相对于当前指令的位移量（可正可负，补码）

A的位数决定操作数的寻址范围操作数寻址特征ALUOPA相对距离A1000PC

…主存1000AOP

广泛用于转移指令，有利于浮动程序的编写10.堆栈寻址堆栈指令没有地址码，是零地址指令。PUSH，POP堆栈是一块按“后进先出”（一个入出口）原则进行读写的存储区。堆栈的结构：硬堆栈，由多个寄存器组成。软堆栈，内存中的一片的存储空间，栈底固定，栈顶浮动。栈顶地址由SP

指出–11FFFH+12000H进栈（SP）–1SP出栈（SP）+1SP栈顶栈底2000HSP2000H……1FFFHSP1FFFH栈顶栈底进栈出栈1FFFH栈顶2000H栈顶堆栈寻址举例15200HACCSPX栈顶200H栈底主存151FFHACCSP15栈顶200H栈底主存X1FFHPUSHA前PUSHA后POPA前POPA后Y1FFHACCSPX栈顶200H栈底主存151FFH15200HACCSP栈顶200H栈底主存X15练习：根据操作数所在位置，指出其寻址方式（填空）：

（1）操作数在寄存器中，为（）寻址方式。

（2）操作数地址在寄存器，为（）寻址方式。

（3）操作数在指令中，为（）寻址方式。

（4）操作数地址（主存）在指令中，为（）寻址方式

（5）操作数的地址，为某一寄存器内容与位移量之和可以是（）寻址方式。

A：寄存器直接；B：寄存器间接；C：立即；

D：直接；E：相对；F：基值；G：变址某微机的指令格式如下所示：D:位移量;X:寻址特征位X=00：直接寻址；X=01：用变址寄存器X1进行变址；X=10：用变址寄存器X2进行变址；X=11：相对寻址设（PC）=1234H,(X1)=0037H,(X2)=1122H(H代表十六进制数)，请确定下列指令的有效地址。①4420H②2244H③1322H④3521H⑤6723H1）X=00,D=20H,有效地址E=20H2)X=10,D=44H,有效地址E=1122H+44H=1166H3)X=11,D=22H,有效地址E=1234H+22H=1256H4)X=01,D=21H,有效地址E=0037H+21H=0058H5）X=11,D=23H,有效地址E=1234H+23H=1257HDX操作码151098705.3指令类型指令系统决定了计算机的功能，不同的机器指令系统各不相同。指令系统与计算机的硬件结构密切相关，而且直接影响到编写操作系统和编写编译程序的难易程度。一、指令设计的基本原则完整性：指令系统的功能尽量完备，给用户的使用带来方便，但若指令系统太复杂，会给指令的硬件实现带来困难。有效性：编制的程序占用的存储空间小。扩充性：操作码字段要保留一定的空间，以便需要时进行功能扩充。兼容性：高档机的指令系统兼容低档机的指令系统，提高软件资源重复利用率。二、设计指令格式时应考虑的各种因素操作类型数据类型指令格式包括指令个数及操作的难易程度指令字长是否固定寻址方式寄存器个数地址码位数、地址个数、寻址方式类型操作码位数、是否采用扩展操作码技术，确定哪些数据类型可参与操作指令寻址、操作数寻址寄存器的多少直接影响指令的执行时间三、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；转移指令；堆栈操作指令；输入输出指令；特权指令等。三、指令类型1.

数据传送源目的寄存器寄存器寄存器寄存器存储器存储器存储器存储器2.算术逻辑操作加、减、乘、除、增1、减1、求补、浮点运算、十进制运算与、或、非、异或、位操作、位测试、位清除、位求反如8086MOVESTORELOADMOVEPUSHPOP例如MOVEMOVEADDSUBMULDIVINCDECCMPNEGANDORNOTXORTEST3.移位操作算术移位（有符号数）循环移位（带进位和不带进位）逻辑移位（无符号数）c0c算术移位左移右移c0c逻辑移位左移右移0cc小循环左移右移cc左移右移大循环4.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。在有些计算机中没有设置浮点运算指令，而用子程序实现，速度较低，因此，运用于科学计算的计算机应设置浮点运算指令。5.十进制运算指令包括十进制加、减运算指令。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，首先将十进制数据转换成二进制数，再在机器内运算；尔后又转换成十进制数据输出。因此，在输入输出数据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。6.转移(1)无条件转移JMP(2)条件转移结果为零转（Z=1）JZ结果溢出转（O=1）JO结果有进位转（C=1）JC跳过一条指令SKP如300…305306307SKPDZD=0则跳7.字符串处理指令字符串处理指令就是一种非数值处理指令，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”指的是数据块从主存储器的某区传送到另一区域；“字符串比较”是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某一指定的子串或字符；“字符串转换”指的是从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BCD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。5.4指令系统的分类随着VLSI技术的发展，计算机的硬件成本不断下降，软件成本不断提高，使得人们热衷于在指令系统中增加更多的指令和复杂的指令，来提高操作系统的效率，并尽量缩短指令系统与高级语言的语义差别，以便于高级语言的编译和降低软件成本。另外，为了做到程序兼容，同一系列计算机的新机器和高档机的指令系统只能扩充而不能减去任意一条，因此，促使指令系统越来越复杂，某些计算机的指令多达几百条。例如，DEC公司的VAX11/780计算机有303条指令，18种寻址方式，我们称这些计算机为复杂指令系统计算机（complexinstructionsetcomputer，简称CISC）。Intel公司的80X86微处理器，IBM公司的大、中计算机均为CISC。一、CISC的主要特征

系统指令复杂庞大，各种指令使用频度相差大

指令长度不固定、指令格式种类多、寻址方式多访存指令不受限制

大多数指令需要多个时钟周期执行完毕

采用微程序控制器

CPU中设有专用寄存器

难以用优化编译生成高效的目的代码

二、RISC的产生和发展RISC（ReducedInstructionSetComputer）1975年IBM公司开始研究指令的合理性问题，IBM的Johncocke提出了RISC的想法。

对CISC的测试表明：最常使用的是一些简单指令，占指令总数的20%，但在程序中出现的频率却占80%。而占20%的复杂指令，为实现其功能而设计的微程序代码却占总代码的80%。CISC研制时间长、成本高、难于实现流水线；因此出现了RISC技术。二、RISC的主要特征

选用使用频度较高的一些简单指令，复杂指令的功能由简单指令来组合

指令长度固定、指令格式种类少、寻址方式少

只有LOAD/STORE

指令访存

采用流水技术

一个时钟周期内完成一条指令

采用组合逻辑实现控制器

CPU中有多个通用寄存器

采用优化的编译程序

四、RISC和CISC的比较1.RISC更能充分利用

VLSI芯片的面积2.

RISC更能提高计算机运算速度指令数、指令格式、寻址方式少，通用寄存器多，采用组合逻辑，便于实现指令流水3.RISC便于设计，可降低成本，提高可靠性4.RISC

有利于编译程序代码优化

5.

RISC不易实现指令系统兼容

2、指令格式操作码地址码指令的字长：定长和变长操作码：指令功能，操作码长度定长和变长（扩展操作码）地址码：数据的类型，寻址方式本章小结1、什么是指令，机器指令，指令系统3、寻址方式：指令寻址（2）和操作数寻址（10）4、RISC和CISC1.指令系统采用不同寻址方式的目的是()A.实现存贮程序和程序控制；B.缩短指令长度，扩大寻址空间，提高编程灵活性；C.可直接访问外存；D.提供扩展操作码的可能并降低指令译码的难度；2.指令的寻址方式有顺序和跳跃两种方式，采用跳跃寻址方式，可以实现()A.堆栈寻址；B.程序的条件转移；C.程序的无条件转移；D.程序的条件转移或无条件转移；3.下列寻址方式中，执行速度最快的是（）

A.寄存器寻址B.寄存器间接寻址C.直接寻址D.相对寻址4.变址寻址方式中，操作数的有效地址EA等于()A基值寄存器内容加上形式地址A（位移量）B堆栈指示器内容加上形式地址A（位移量）C变址寄存器内容加上形式地址A（位移量）D程序记数器内容加上形式地址A（位移量）5.用某个寄存器中操作数的寻址方式称为()寻址。A.直接B.间接C.寄存器直接D.寄存器间接6.单地址指令中为了完成两个数的算术运算，除地址码指明的一个操作数外，另一个常需采用()A.堆栈寻址方式B.立即寻址方式C.隐含寻址方式D.间接寻址方式7.()不是RISC的特点。A．指令的操作种类比较少B．指令长度固定且指令格式较少C.寻址方式比较少D.访问内存需要的机器周期比较少