计算机组成原理课件第4章指令系统

第四章指令系统主要内容第一节指令格式第二节指令系统介绍第三节寻址方式简述指令:就是要计算机执行某种操作的命令。分类:(从计算机组成的层次结构)：微指令：微程序级的命令（硬件）机器指令：可完成一个基本的操作，简称指令。宏指令：由若干条机器指令组成的软件指令。（软件）第一节机器指令的格式指令格式，是指令字用二进制代码表示的结构形式。通常由操作码字段和地址码字段组成。操作码字段表征指令的操作特性与功能。地址码字段通常指定参与操作的操作数的地址一条指令的结构可用如下形式来表示：一、机器指令格式操作码地址码数据是什么或数据在哪里做什么二、指令字长度1、机器字长与指令字长机器字长指计算机能直接处理的二进制数据的位数。指令字长指一个指令字中包含的二进制代码的位数。2、指令字长与机器字长的关系等于机器字长度的指令，称为单字长指令；等于半个机器字长度的指令，称为半字长指令；等于两个机器字长度的指令，称为双字长指令。机器字长指令字长二者关系168半字长指令1616单字长指令1632双字长指令三、据地址码不同对指令的分类三地址指令格式

操作码地址码1地址码2地址码3

含义：

(A1)

OP

(A2)→A3

二地址指令格式

操作码地址码1地址码2含义：（A1）OP（A2）→A1

在二地址指令格式中，从操作数的物理位置来说，又可归结为三种类型：（SS）型指令:存储器－存储器型指令，为访问存储器的指令格式；（RR）型指令:寄存器－寄存器型指令，为访问寄存器的指令格式；（RS）型指令:寄存器－存储器型指令，用于存储器与寄存器交换信息。

一地址指令格式

操作码地址码

含义：（AC）OP（A）→（AC）零地址指令格式

操作码含义：OP隐含操作数返回OP练习题【例】以下四种类型指令中，执行时间最长的是______。

A.RR型B.RS型

C.SS型

D.程序控制指令例：设机器字长为16位，指令格式如下所示，其中OP为操作码，试分析指令格式的特点。

解：(1)单字长二地址指令。(2)操作码字段OP可以指定27=128条指令。(3)源寄存器和目标寄存器都是通用寄存器(可分别指定16个)，所以是RR型指令，两个操作数均在寄存器中。15987430OP_源寄存器目标寄存器例：设机器字长为16位，指令格式如下所示，OP为操作码字段，试分析指令格式特点。解：(1)双字长二地址指令，用于访问存储器。(2)操作码字段OP为6位，可以指定26=64种操(3)一个操作数在源寄存器(共16个)，另一个操作数在存储器中(由变址寄存器和位移量决定)，所以是RS型指令。第二节指令系统介绍指令系统的发展对指令系统的性能要求指令分类复杂指令系统精简指令系统指令的执行方式指令系统的概念一台计算机中所有机器指令的集合，称为这台计算机的指令系统。指令系统是表征一台计算机性能的重要因素，它的格式与功能不仅直接影响到机器的硬件结构，而且也直接影响到系统软件，影响到机器的适用范围。一、指令系统的发展50年代，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，除基本指令外，还有乘除运算、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。开始出现系列计算机。所谓系列计算机，是指基本指令系统相同、基本体系结构相同的一系列计算机。70年代末期，复杂指令系统计算机，简称CISC。又提出精简指令系统计算机，简称RISC。

二、对指令系统性能的要求一个完善的指令系统应满足如下四方面的要求：完备性：有效性：规整性：兼容性：三、典型指令分类

不同机器的指令系统是各不相同的。从指令的操作码功能来考虑，一个较完善的指令系统，应包括：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输入输出类指令字符串类指令系统控制类指令。举例：以8086指令系统为例MOVAX,1234HMOVBX,8900HADDAX,BXXORAX,0FF0HJZL1MOVSBINAL,12HLI:CLCJMPL1四、复杂指令系统计算机计算机硬件结构随着VLSI技术的飞速发展而越来越复杂化，大多数计算机的指令系统多达几百条。称这些计算机为复杂指令系统计算机，简称CISC。

例如:pentium机也有191条指令，9种寻址方式。缺点：对CISC机进行的测试表明，最常使用的是一些最简单最基本的指令，仅占指令总数的20%，但在程序中出现的频率却占80%。五、精简指令系统计算机（RISC）（一）、RISC的由来及发展1、由来：系列机的出现->(复杂指令系统计算机)CISCCISC->硬件结构复杂、成本提高。1975年，IBM公司开始研究指令系统的合理性问题，该公司的Johncocke提出了精简指令系统的想法，并开始研制具有精简指令系统的计算机。

⒉RISC的发展

从80年代末开始，RISC计算机成为计算机发展的主要趋势。（二）、RISC的特点指令的种类少指令长度固定指令格式种类少寻址方式种类少CPU内的所有操作，除了访问存储器的取数和存数（Load/Store指令）外，其余指令的操作都在寄存器之间进行；CPU中有一个较大的通用寄存器组大部分指令在一个CPU周期之内完成采用硬布线控制器六、指令的执行方式指令的顺序执行方式流水线方式（一）、顺序执行方式

顺序执行方式是一条指令接着一条指令的执行方式。

特点：⑴就整个程序而言，是一条指令接着一条指令顺序地串行执行的。⑵就一条指令而言，其取指、分析、执行三个步骤也是顺序串行进行的。⑶是控制简单，硬件容易实现，但执行速度慢。（二）、流水线方式流水线方式是把指令的执行过程分解为若干个子过程，分别由不同的硬件去执行的方式。

例如：一条指令分解为4个子过程取指->译码->取操作数->执行分别由4个不同的部件来完成。第三节寻址方式寻址：指令指定操作数的位置，即给出地址信息，在执行时需要根据这个地址信息找到需要的操作数。这种寻找操作数的过程称为寻址。

寻址方式：寻找操作数的方法。

具体分为指令寻址和操作数寻址指令寻址分操作数寻址

4.3.1指令寻址方式顺序寻址方式如：顺序结构跳跃寻址方式如：循环、分支、子程序、函数、中断等举例：地址机器指令汇编语言指令4.3.2操作数寻址方式有效地址：操作数的地址被称为有效地址，用EA（EffectiveAddress）表示，存储器寻址方式下，有效地址由下面3个分量构成：基址寄存器内容变址寄存器内容位移量操作数所在位置有如下四种情况操作数在内存中。称为存储器寻址。操作数在运算部件的某个寄存器中。称为寄存器寻址。操作数就在指令中。操作数叫做立即数，称为立即数寻址。操作数在I/O接口的某个端口中，称为端口寻址。一、立即数寻址方式如：ADDAX,D

D就是操作数本身，在非十进制立即数末尾需要使用字母加以标识（如1234H）。这种方式适合于访问一些固定不变的常数。特点：

操作数作为指令的一部分存放在存储器的代码段，指令执行阶段不访存

D的位数限制了立即数的范围二、寄存器寻址方式有效地址即为寄存器编号，EA=R1操作数为(D)

特点：执行阶段不访存，只访问寄存器，因此执行速度快；寄存器个数有限，可缩短指令字长。例：INCR1

三、存储器寻址方式1.直接寻址方式

有效地址由形式地址直接提供，即指令地址中直接给出操作数存放的有效地址。例：INC[3A00H]

即：EA=3A00H;操作数=（3A00H

）

特点：执行阶段访问一次存储器

有效地址在寄存器中，EA=(R1)操作数=（(R1)）

特点：有效地址在寄存器中，操作数在存储器中，执行阶段访问一次存储器例：INC(R1)

2.寄存器间接寻址方式3.间接寻址方式指令的地址码部分给出的不是操作数，也不是操作数的地址，而是操作数地址的地址的寻址方式。其有效地址为：EA=(A0)

4.基址/变址寻址方式以基址/变址寄存器中的内容为基准，加上指令地址码部分给出的位移量之和作为操作数的有效地址来获得操作数的地址的寻址方式。其有效地址为：EA=(R)+A这类指令通常用于字符串处理、向量运算等成批数据处理中。指令中的地址码与程序计数器PC的内容相加，得到的结果是操作数的有效地址，即EA=(PC)+A5.相对寻址方式6、存储器堆栈寻址方式堆栈：是在存储器中的一片连续区域。特点：先进后出。用栈顶指针指示要读写的单元。操作：分为进栈和出栈

进栈指令：PUSHsrc

执行的操作是（SP-2）→SPsrc->[SP]出栈指令：POPDEST

执行的操作是[SP]->DEST（SP-2）→SP四、端口寻址方式参与运算的数据在输入/输出接口的某个端口中。通常用专用的输入/输出指令来完成数据的读写例如：INAL,35H

MOVDX,38FHOUTDX,AL返回练习题变址寻址方式中，操作数的有效地址等于______。

A基值寄存器内容加上形式地址（位移量）

B堆栈指示器内容加上形式地址（位移量）

C变址寄存器内容加上形式地址（位移量）

D程序记数器内容加上形式地址（位移量）

用某个寄存器中值作为操作数的寻址方式称为______寻址。

A直接B间接

C寄存器

D寄存器间接

计算机指令系统中采用不同寻址方式主要目的是_____

A、可直接访问内存或外存。B、提供扩展操作码并降低指令译码难度C、简化汇编指令的编码D、缩短指令长度，扩大寻址空间，提高编程灵活性在下列寻址方式中取得操作数速度最慢的是_____

。

A、相对寻址B、基址寻址

C、寄存器间接寻址

D、存储器间接寻址

某机器指令格式如下所示15109870OPXD图中X为寻址特征位:X=00直接寻址

X=01用寄存器X1进行变址

X=10用寄存器X2进行变址

X=11相对寻址设(PC)=1234H,(X1)=0037H,(X2)=1122H,请确定下列指令的有效地址：①4402H②2244H③1322H④3521H⑤6723H设(DS)=1200H,(BX)=05A6H,(SS)=5000H,(BP)=40A0H,(SI)=2000H,(DI)=3000H,

位移量DISP=1618H,请判断下列指令中操作数的寻址方式，并求出其有效地址EA。

1)MOV[1618H],AL2)MOVAL,[BX+10H]3)MOVAX,[SI]4)MOV[BX+DI],10H

堆栈寻址方式中，设A为累加器，SP为堆栈指示器，MSP为SP指示的栈顶单元。如果进栈操作的动作顺序是(SP)-2→SP；（A）→MSP，那么出栈操作的动作顺序应为______

A、(MSP)→A，(SP)+2→SPB、(SP)+2→SP，(MSP)→AC、(SP-2)→SP，(MSP)→AD、(MSP)→A，（SP）-2→SP在8086中SP=2000H，AX＝3000H，BX＝5000H试问：

(1)执行指令PUSHAX后，SP＝?

(2)再执行指令PUSHBX及POPAX后，SP＝?，BX＝?请画出堆栈变化示意图。解：⑴SP＝2000H－2＝1FFEH⑵执行PUSHBX和POPAX后，

SP＝1FFEH－2＋2＝IFFEH，BX＝5000H栈起始…Sp->200H栈起始…Sp->1FFEH3000H栈起始…Sp->1FFCH5000H3000H栈起始…5000HSp->1FFEH3000H初始状态PUSHAX后PUSHBX后POPCX后例：设某计算机，指令长度为16位，指令格式如下：OP为操作码，R为寄存器编号

M为寻址方式，与D一起决定源操作数，规定如下：M=00立即寻址D是立即数M=01相对寻址D是位移量M=10变址寻址D是位移量设要执行的加法指令，存放在001000单元中，D=01,该指令执行前存储器和有关寄存器的存储情况如下所示(地址码和数据均以八进制表示)1511108765