指令系统课件与部分习题

《计算机组成原理》第七章指令系统软件硬件逻辑功能：计算0+1机器指令：0010001汇编语言：ADDr1,r2王战红手机号吗：第七章指令系统7.1、指令系统概述7.2、指令的格式

7.2.1、地址码结构

7.2.2、操作码结构7.3、指令的寻址方式（10种）7.4、指令的类型与功能（6类）7.5、RISC和CISC的比较在一个有限的存储空间里，对于任何可解的问题，编制计算程序时，指令系统提供的指令足够使用。指令系统的完备性1）数据传送类指令功能：实现将数据从发送地址传送到目的地址，发送过程中数据不变。（即传送与复制）

传送范围：寄存器R-寄存器R，存储器M-寄存器R，存储器M-存储器M

传送单位：按字节、字、字符串、数据块等

MOVAL,BL（字节）MOVAX,BX（字）

MOVSB（字符串）REPMOVSB（数据块）传送数据取值：原值传送，取补，取反，零值传送主要包括：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。7.4、指令的类型与功能功能设置考虑问题2）算术运算类指令功能：实现各种算术运算（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）。主要包括：二进制定点加、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。指令举例：

ADD加法 SUB 减法

MUL乘法 DIV 除法

NEG求补 ABS求绝对值

INC+1 DEC-17.4、指令的类型与功能功能设置考虑问题（在算术运算中讲过的问题都要考虑）：二/十进制运算；定点/浮点运算；整数/小数运算；是否规格化；固定字长/变字长运算；半字长/全字长/双字长运算等等。3）逻辑运算类指令功能：把一个数据字看做是一个位数组，分别处理每一位。主要包括：逻辑加、逻辑乘、按位加、逻辑移位等指令，移位指令用来对寄存器的内容实现左移、右移或循环移位。指令举例：

AND与OR或COM非（求反）EOR异或7.4、指令的类型与功能设置功能设置考虑问题：不同指令的功能设置与逻辑运算规律有关系。4）移位类指令功能：实现逻辑移位，循环移位，算术移位。

主要包括：算术右移，算术左移，逻辑右移，逻辑左移，循环右移，循环左移功能设置考虑问题： 数据格式：字符移位，字移位 移位参数：移动一位的次数与移动方向 被移动的寄存器地址 补位的方法。指令举例：SHLAL,1寄存器AL左移1位

MOVDL,5SHLAL,DL寄存器AL左移5位7.4、指令的类型与功能设置5）程序控制（转移）类指令功能：实现控制程序的执行顺序和选择程序的运行方向。它是计算机的智能机构，设置较为复杂。程序执行的三大结构：顺序、分支、循环顺序：PC+1；分支：分支点（必须设置比较测试指令与条件转移指令）汇合点（必须设置无条件转移指令）；循环：循环次数已知（计数跳指令LOOP）循环次数未知

7.4、指令的类型与功能设置A=B?执行A执行A分支点汇合点调用子程序：主程序调用子程序时，重点考虑主程序与子程序的链接。子程序是一个公共程序，主程序可以在任意一地址调用它，设置一条无条件转移指令转向子程序的入口地址就可以了，但是从子程序返回主程序地址时设置返回指令。转移地址可以通过链接寄存器，或堆栈进行操作。利用堆栈可以实现子程序嵌套调用。7.4、指令的类型与功能设置6）输入输出指令

功能：控制输入输出设备的工作，完成计算机与输入输出设备之间的数据交换。根据不同的机器结构，功能设置方式不同：1）内存与辅存统一编制；2）辅存单独编址。7.4、指令的类型与功能设置第七章指令系统7.1、指令系统概述7.2、指令的格式

7.2.1、地址码结构

7.2.2、操作码结构7.3、指令的寻址方式（9种）7.4、指令的类型与功能（6类）7.5、RISC和CISC的比较

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

7.5、RISC和CISC的比较CISC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

7.5、RISC和CISC的比较RISC的主要特征7.5、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

RISC相对CISC的优势指令系统小结软件硬件计算机系统包括硬件和软件两大组成部分。硬件：指构成计算机的CPU、主存、外设等物理装置。软件：系统软件和各种用户应用软件。指令：CPU的控制器发布的操作命令。指令系统：一台计算机所能执行的全部指令的集合。 一台特定的计算机只能执行自己指令系统中的指令。因此，指令系统就是计算机的机器语言。软硬件分工就在指令系统软件在指令系统上设计程序，和硬件设计没有任何关系硬件设计去实现指令系统的操作，所以要了解指令的结构。指令：CPU的控制器发布的操作命令。指令格式：一条指令应完成以下功能：

执行什么操作？（操作码）操作数到哪里去取？结果送到哪里？（地址码）为了使程序自动执行还应该指出下一条指令的地址。操作码地址码MOVr，mADD r1，r2指令的操作码：用于指明本条指令的操作功能。例如：算术加、减，逻辑与、或，读、写内存，读、写外设……

指令的地址码：用于给出被操作数的地址。包括：参加运算的一或多个操作数地址，运算结果的保存地址……指令系统小结操作码地址码指令格式小结：固定长度（IBM/PC）扩展长度（PDP-11）交叉安排（NOVA）四地址三地址二地址单地址零地址三种方案按操作数个数划分指令系统小结

寻址方式 操作数地址 操作数存放位置1）立即寻址 指令中2）隐含寻址隐含指定某寄存器号特定寄存器3）直接寻址存储单元地址 内存4）寄存器直接寻址寄存器号 寄存器5）间接寻址存储单元地址——存储单元地址内存6）寄存器间接寻址寄存器号——存储单元地址内存7）相对寻址 PC+A（可变） 内存8）基址寻址基址寄存器+A（可变） 内存9）变址寻址A+变址寄存器（可变） 内存10）堆栈寻址SP

堆栈

指令系统小结一个较完善的指令系统应当包含数据传送类指令、算术运算类指令、逻辑运算类指令、程序控制类指令、I/O类指令、系统控制类指令。RISC指令系统是CISC指令系统的改进，它的最大特点是：1）指令条数少；2）指令长度固定，指令格式和寻址种类少；3）只有取数／存数指令访问存储器；其余指令的操作均在寄存器之间进行。指令系统小结例1）某16位机器所使用的指令格式和寻址方式如下所示，该机有两个

20位基址寄存器，四个16位变址寄存器，十六个16位通用寄存器，指令格式中的S（源），D（目标）都是通用寄存器，

M是主存中的一个单元。三种指令的操作码分别是

MOV（OP＝AH），传送指令；

STA（OP＝1BH），写数指令；

LDA（OP＝3CH），读数指令。考研题目精选要求：分析三种指令的指令格式与寻址方式特点。解：第一种指令是单字长二地址指令，RR型；第二种指令是双字长二地址指令，RS型，其中S采用基址寻址或变址寻址，R由源寄存器决定；第三种也是双字长二地址指令，RS型，其中R由目标寄存器决定，

S由20位内存地址（直接寻址）决定。考研题目精选要求：CPU完成哪一种操作所花时间最短？哪一种所花时间最长？第二种指令的执行时间有时会等于第三种指令的执行时间吗？解：处理机完成第一种指令所花时间最短，因为是RR型指令，不需要访问存储器。第二种指令所花时间最长，因为是RS型指令，需要访问存储器，同时要进行寻址方式的变换运算（基址或变址），这也需要时间。第二种指令的执行时间不会等于第三种指令，因为第三种指令虽然也访问存储器，但节省了求有效地址运算的时间开销。考研题目精选要求：下列情况下每个十六进制指令字分别代表什么操作？其中如果有编码不正确，如何改正才能成为合法指令？①(F0F1)H(3CD2)H②(2856)H③（6FD6)H④（1C2)H解：已知MOV（OP＝AH）＝001010，

STA（OP＝1BH）＝011011，

LDA（OP＝3CH）＝111100,

将指令的十六进制格式转换成二进制代码，比较后可知：①（F0F1）H（3CD2）H指令代表LDA指令，编码正确，其含义是把主存（13CD2）H地址单元的内容取至15号寄存器。

111100001111

0001 0011110011010010考研题目精选解：②（2856）H指令代表MOV指令，编码正确，含义是把6号源寄存器的内容传送至5号目标寄存器。

001010000101

0110

③（6FD6）H是单字长指令，一定是MOV指令，但编码错误，可改正为（28D6）H

011011111101

0110→001010111101

0110④（1C2）H是单字长指令，代表MOV指令，但编码错误，可改正为（28C2）H。

0000000111000010→00101001

1100

0010考研题目精选

例3）某机字长32位，CPU内有32个32位通用寄存器，设计一种能容纳

64种操作的指令系统，设指令字长等于机器字长，存储器按字节编址。1）如果主存可直接或间接寻址，采用寄存器—存储器型指令，能直接寻址的最大存储空间是多少？画出指令格式。2）如果采用通用寄存器作为基址寄存器，则上述寄存器---存储器型指令的指令格式有何特点？画出指令格式并指出这类指令可访问多大的存储空间。考研题目精选解：操作码6寻址特征1寄存器号5内存单元地址20操作码6寻址特征1寄存器号5形式地址15寄存器号5直接寻址空间220因为基址寄存器号5位，间接寻址空间232例4）某机存储器容量为64K*16位，该机访存指令格式如下：考研题目精选解：1）16种操作。操作码4寻址模式2间址1形式地址8变址1其中，寻址00直接寻址，01基址寻址，10相对寻址，11立即