计算机组成原理 指令系统

计算机组成原理指令系统第1页，课件共83页，创作于2023年2月指令、指令系统是计算机中一个最基本的概念。指令是指示计算机执行某些操作的命令，一台计算机的所有指令的集合构成该机的指令系统。指令系统是计算机的主要属性，位于硬件和软件的交界面上。第2页，课件共83页，创作于2023年2月宏指令：由若干条机器指令组成的软件指令，它属于软件；机器指令：介于微指令与宏指令之间，通常简称为指令，每一条指令可完成一个独立的算术运算或逻辑运算操作。本章所讨论的指令，是机器指令第3页，课件共83页，创作于2023年2月本章学习内容4.1指令格式4.2寻址技术4.3堆栈与堆栈操作4.4指令类型第4页，课件共83页，创作于2023年2月本章学习要求理解：指令的基本格式以及不同地址码（3、2、1、0地址）的双操作数指令的区别理解：规整型指令和非规整型指令的特点掌握：扩展操作码的方法理解：编址单位和指令中地址码的位数与主存容量、最小寻址单位的关系掌握：基本的数据寻址方式和有效地址EA的计算方法掌握：自底向上的存储器堆栈的概念及堆栈的进、出栈操作理解：常用指令的特点第5页，课件共83页，创作于2023年2月完备性：完备性是指用汇编语言编写各种程序时，指令系统直接提供的指令足够使用，而不必用软件来实现。完备性要求指令系统丰富、功能齐全、使用方便。一台计算机中最基本、必不可少的指令是不多的。许多指令可用最基本的指令编程来实现。有效性：有效性是指利用该指令系统所编写的程序能够高效率地运行。高效率主要表现在程序占据存储空间小、执行速度快。一般来说，一个功能更强、更完善的指令系统，必定有更好的有效性。对指令系统性能的要求第6页，课件共83页，创作于2023年2月规整性：规整性包括指令系统的对称性、匀齐性、指令格式和数据格式的一致性。

对称性是指：在指令系统中所有的寄存器和存储器单元都可同等对待，所有的指令都可使用各种寻址方式；

匀齐性是指：一种操作性质的指令可以支持各种数据类型，如算术运算指令可支持字节、字、双字整数的运算，十进制数运算和单、双精度浮点数运算等；指令格式和数据格式的一致性是指：指令长度和数据长度有一定的关系，以方便处理和存取。例如指令长度和数据长度通常是字节长度的整数倍。第7页，课件共83页，创作于2023年2月兼容性：

系列机各机种之间具有相同的基本结构和共同的基本指令集，因而指令系统是兼容的，即各机种上基本软件可以通用。但由于不同机种推出的时间不同，在结构和性能上有差异，做到所有软件都完全兼容是不可能的，只能做到“向上兼容”，即低档机上运行的软件可以在高档机上运行。第8页，课件共83页，创作于2023年2月低级语言与硬件结构的关系低级语言与高级语言关系第9页，课件共83页，创作于2023年2月4.1指令格式一台计算机指令格式的选择和确定要涉及多方面的因素，如指令长度、地址码结构以及操作码结构等，是一个很复杂的问题，它与计算机系统结构、数据表示方法、指令功能设计等都密切相关。第10页，课件共83页，创作于2023年2月4.1.1机器指令的基本格式一条指令就是机器语言的一个语句，它是一组有意义的二进制代码。操作码字段 地址码字段 操作码：指明操作的性质及功能。操作码

地址码：指明操作数的地址。地址码第11页，课件共83页，创作于2023年2月4.1.1机器指令的基本格式（续）指令的长度是指一条指令中所包含的二进制代码的位数，它取决于操作码字段的长度、操作数地址的个数及长度。指令长度可以等于机器字长，也可以大于或小于机器字长。在一个指令系统中，若所有指令的长度都是相等的，称为定长指令字结构；若各种指令的长度随指令功能而异，称为变长指令字结构。第12页，课件共83页，创作于2023年2月4.1.2地址码结构

一条双操作数指令的除操作码之外，还应包含以下信息：第一操作数地址，用A1表示；第二操作数地址，用A2表示；操作结果存放地址，用A3表示；下条将要执行指令的地址，用A4表示。这些信息可以在指令中明显的给出，称为显地址；也可以依照某种事先的约定，用隐含的方式给出，称为隐地址。第13页，课件共83页，创作于2023年2月1.四地址指令

(A1)OP(A2)→A3A4＝下条将要执行指令的地址其中：Ai表示地址，(Ai)表示存放于该地址中的内容。OPA1A2A3A4第14页，课件共83页，创作于2023年2月2.三地址指令

(A1)OP(A2)→A3(PC)+1→PC（隐含）执行一条三地址的双操作数运算指令，至少需要访问？次主存。

第一次取指令本身，第二次取被操作数，第三次取操作数，第四次保存运算结果。

OPA1A2A3第15页，课件共83页，创作于2023年2月3.二地址指令

(A1)OP(A2)→A1(PC)+1→PC（隐含）其中：A1为目的操作数地址，A2为源操作数地址。二地址指令执行之后，目的操作数地址中原存的内容已被破坏了。执行一条二地址的双操作数运算指令，至少需要访问？次主存。OPA1A2第16页，课件共83页，创作于2023年2月4.一地址指令

(Acc)OP(A1)→Acc(PC)+1→PC（隐含）执行一条一地址的双操作数运算指令，只需要访问？次主存。

第一次取指令本身，第二次取操作数。被操作数和运算结果都放在累加寄存器中，所以读取和存入都不需要访问主存。OPA1第17页，课件共83页，创作于2023年2月5.零地址指令

零地址的算逻类指令是用在堆栈计算机中的，堆栈计算机没有一般计算机中必备的通用寄存器，因此堆栈就成为提供操作数和保存运算结果的唯一场所。通常，参加算逻运算的两个操作数隐含地从堆栈顶部弹出，送到运算器中进行运算，运算的结果再隐含地压入堆栈。OP第18页，课件共83页，创作于2023年2月不同地址数指令的特点和适用场合对于同一个问题，用三地址指令编写的程序最短，但指令长度最长，而用二、一、零地址指令来编写程序，程序的长度一个比一个长，但指令的长度一个比一个短。第19页，课件共83页，创作于2023年2月指令系统中的每一条指令都有一个唯一确定的操作码，指令不同，其操作码的编码也不同。通常，希望用尽可能短的操作码字段来表达全部的指令。指令操作码的编码可以分为规整型和非规整型两类。4.1.3指令的操作码第20页，课件共83页，创作于2023年2月1.规整型

操作码字段的位数和位置是固定的。假定：指令系统共有m条指令，指令中操作码字段的位数为N位，则有如下关系式：

N≥log2m

规整型编码对于简化硬件设计，减少指令译码的时间是非常有利的。

IBM370机（字长32位）的指令可分为三种不同的长度,不论指令的长度为多少位，其中操作码字段一律都是8位。第21页，课件共83页，创作于2023年2月IBM370机的指令格式图4-1IBM370机的指令格式第22页，课件共83页，创作于2023年2月2.非规整型

操作码字段的位数不固定，且分散地放在指令字的不同位置上。

PDP-11机（字长16位）的指令分为单字长、两字长、三字长三种，操作码字段占4～16位不等，可遍及整个指令长度。显然，操作码字段的位数和位置不固定将增加指令译码和分析的难度，使控制器的设计复杂化。第23页，课件共83页，创作于2023年2月PDP-11机的指令格式图4-2PDP-11机的指令格式第24页，课件共83页，创作于2023年2月最常用的非规整型编码方式是扩展操作码法。让操作数地址个数多的指令（如三地址指令）的操作码字段短些，操作数地址个数少的指令（如一或零地址指令）的操作码字段长些。扩展操作码法

第25页，课件共83页，创作于2023年2月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第26页，课件共83页，创作于2023年2月EXP

某指令字长为16位，每个地址码为6位，扩展操作码技术，设有14条二地址指令，100条一地址指令，100条零地址指令：1）画出扩展图2）计算操作码平均长度3）指令译码逻辑第27页，课件共83页，创作于2023年2月EXP

某计算机的指令系统字长定长为16位，采用扩展操作码，操作数地址需要4位。该指令系统已有三地址指令M条，二地址指令N条，没有零地址指令。问：最多还有多少条一地址指令？第28页，课件共83页，创作于2023年2月EXP

某指令系统的指令字长为12位，每个地址码长为3位，试问，采用何种方案，使得该指令系统有4条三地址，8条二地址，180条单地址指令？若二地址指令仅有7条，单地址指令最多可有多少条？第29页，课件共83页，创作于2023年2月一、操作数类型地址数字字符逻辑数无符号整数定点数、浮点数、十进制数ASCII逻辑运算二、数据在存储器中的存放方式字地址为低字节地址字地址为高字节地址37621540字地址04低字节04512673字地址04低字节4.1.4指令的操作码第30页，课件共83页，创作于2023年2月存储器中的数据存放（存储字长为

32

位）地址（十进制）04812162024283236双字双字（地址32）双字双字（地址24）半字（地址20）半字（地址22）半字（地址16）半字（地址18）字节（地址8）字节（地址9）字节（地址10）字节（地址11）字（地址4）字（地址0）字节（地址14）字节（地址15）字节（地址13）字节（地址12）边界对准地址（十进制）048字节(地址7)字节(地址6)字(地址2)半字(地址10)半字(地址8)半字(地址0)字(地址4)边界未对准

▲▲第31页，课件共83页，创作于2023年2月三、操作类型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置“1”，清“0”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MOVEMOVEADDSUBMULDIVINCDECCMPNEGAAAAASAAMAADANDORNOTXORTEST第32页，课件共83页，创作于2023年2月3.移位操作算术移位4.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循环移位（带进位和不带进位）如300…305306307SKPDZD=0则跳逻辑移位完成触发器第33页，课件共83页，创作于2023年2月(3)调用和返回CALLSUB1.........CALLSUB2…...CALLSUB2…RETURNRETURN......主程序地址200021002101子程序SUB1240025002501256025612700主存空间分配程序执行流程子程序SUB2第34页，课件共83页，创作于2023年2月INAX,nOUTDX,ALOUTn,AXOUTDX,AX(4)陷阱（Trap）与陷阱指令意外事故的中断设置供用户使用的陷阱指令如8086INTTYPE软中断提供给用户使用的陷阱指令，完成系统调用5.输入输出一般不提供给用户直接使用

在出现事故时，由CPU自动产生并执行（隐指令）INAL,DXINAX,DX入端口地址CPU的寄存器出

CPU的寄存器端口地址如如INAL,nOUTn,AL第35页，课件共83页，创作于2023年2月4.2寻址技术所谓寻址，指的是寻找操作数的地址或下一条将要执行的指令地址。寻址技术包括编址方式和寻址方式。第36页，课件共83页，创作于2023年2月寻址可以分为指令寻址和数据寻址。寻找下一条将要执行的指令地址称为指令寻址，寻找操作数的地址称为数据寻址。

指令寻址比较简单，它又可以细分为顺序寻址和跳跃寻址。数据寻址方式种类较多，其最终目的都是寻找所需要的操作数。4.2.1指令寻址和数据寻址第37页，课件共83页，创作于2023年2月

顺序寻址可通过程序计数器PC加1，自动形成下一条指令的地址；跳跃寻址则需要通过程序转移类指令实现。跳跃寻址的转移地址形成方式有3种：直接（绝对）、相对和间接寻址，它与下面介绍的数据寻址方式中的直接、相对和间接寻址是相同的，只不过寻找到的不是操作数的有效地址而是转移的有效地址而已。4.2.1指令寻址和数据寻址第38页，课件共83页，创作于2023年2月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第39页，课件共83页，创作于2023年2月

数据寻址方式是根据指令中给出的地址码字段寻找真实操作数地址的方式。指令中的形式地址A───→有效地址EA

4.2.2基本的数据寻址方式寻址方式形式地址指令字中的地址

有效地址操作数的真实地址

约定指令字长=存储字长=机器字长形式地址A操作码寻址特征第40页，课件共83页，创作于2023年2月

寄存器是CPU内部重要的数据存储资源，用来暂存数据和地址，是汇编程序员能直接使用的硬件资源之一。由于寄存器的存取速度比内存快，所以，在用汇编语言编写程序时，要尽可能充分利用寄存器的存储功能。在高级语言(如：C/C++语言)中，也有定义变量为寄存器类型的，这就是提高寄存器利用率的一种可行的方法。

4.2.2基本的数据寻址方式什么是寄存器第41页，课件共83页，创作于2023年2月一种典型的运算器结构4.2.2基本的数据寻址方式常用的16个通用寄存器：AX累加器BX基址寄存器CX计数器DX数据寄存器SP堆栈指针BP变址指针SI源操作数DI目的操作数CS代码段寄存器SS堆栈段寄存器DS数据段寄存器ES附加段寄存器第42页，课件共83页，创作于2023年2月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，可缩短指令字长第43页，课件共83页，创作于2023年2月指令中给出的不是通常意义上的操作数地址，而是操作数本身，也就是说数据就包含在指令中，只要取出指令，也就取出了可以立即使用的操作数。在取指令时，操作码和操作数被同时取出，不必再次访问主存，从而提高了指令的执行速度。但是，因为操作数是指令的一部分，不能被修改，而且立即数的大小受到指令长度的限制，所以这种寻址方式灵活性最差，通常用于给某一寄存器或主存单元赋初值或提供一个常数。立即寻址OP#A立即寻址特征立即数可正可负补码第44页，课件共83页，创作于2023年2月

指令中地址码字段给出的地址A就是操作数的有效地址，即形式地址等于有效地址：EA=A。由于这样给出的操作数地址是不能修改的，与程序本身所在的位置无关，所以又叫做绝对寻址方式。操作数S=(A)

这种寻址方式不需作任何寻址运算，简单直观，也便于硬件实现，但地址空间受到指令中地址码字段位数的限制。

movBX,VARmovCL,DA+3movAX,DS:[100H]直接寻址第45页，课件共83页，创作于2023年2月操作数主存寻址特征LDAAAACC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）第46页，课件共83页，创作于2023年2月

间接寻址意味着指令中给出的地址A不是操作数的地址；而是存放操作数地址的主存单元的地址，简称操作数地址的地址。通常在指令格式中划出一位作为直接或间接寻址的标志位，间接寻址时标志位＠=1。在一级间接寻址中，

EA=(A)S=((A))间接寻址第47页，课件共83页，创作于2023年2月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第48页，课件共83页，创作于2023年2月………子程序主程序…8081201202转子程序转子程序间接寻址编程举例(A)=81(A)=202……@间址特征JMP@A…………………………第49页，课件共83页，创作于2023年2月寄存器间接寻址

指令中的地址码给出某一通用寄存器的编号，在被指定的寄存器中存放操作数的有效地址，而操作数则存放在主存单元中。

S=((Ri))EA=(Ri)操作数主存OPRi寻址特征地址………………R0RiRn寄存器第50页，课件共83页，创作于2023年2月

有效地址在寄存器中，操作数在存储器中，执行阶段访存

便于编制循环程序MovBH,[BP]MovAX,[BX]MovBH,SS:[BP]MovAX,DS:[BX]第51页，课件共83页，创作于2023年2月变址寻址

把变址寄存器Rx的内容与指令中给出的形式地址A相加，形成操作数有效地址，即EA=(IX)+A

。Rx的内容称为变址值。

OPA操作数主存寻址特征ALUIXIX为变址寄存器（专用）通用寄存器也可以作为变址寄存器第52页，课件共83页，创作于2023年2月可扩大寻址范围便于处理数组问题

Rx的内容由用户给定在程序的执行过程中Rx内容可变，形式地址A不变第53页，课件共83页，创作于2023年2月例设数据块首地址为D，求N

个数的平均值直接寻址变址寻址LDADADDD+1ADDD+2……ADDD+(N-1)DIV#NSTAANSLDA#0LDX#0INXCPX#NBNEMDIV#NSTAANS共N+2条指令共8条指令ADDX,DMX为变址寄存器D为形式地址(X)和#N

比较(X)+1X结果不为零则转第54页，课件共83页，创作于2023年2月基址寻址

基址寄存器Rb的内容与指令中给出的位移量A相加，形成操作数有效地址，即:EA=(BR)+A

基址寄存器的内容称为基址值。指令的地址码字段是一个位移量，位移量可正、可负。

第55页，课件共83页，创作于2023年2月基址寻址图4-8基址寻址过程OPA操作数主存寻址特征ALUBR第56页，课件共83页，创作于2023年2月可扩大寻址范围便于程序搬家

Rb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可变第57页，课件共83页，创作于2023年2月可采用通用寄存器作基址寄存器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可变第58页，课件共83页，创作于2023年2月相对寻址

相对寻址是基址寻址的一种变通，由程序计数器PC提供基准地址，指令中的地址码字段作为位移量D，两者相加后得到操作数的有效地址，即EA=(PC)+A。位移量指出的是操作数和现行指令之间的相对位置。

A是相对于当前指令的位移量（可正可负，补码）操作数寻址特征ALUOPA相对距离A1000PC……主存1000AOP第59页，课件共83页，创作于2023年2月相对寻址方式的特点

①操作数的地址不是固定的，它随着PC值的变化而变化，并且与指令地址之间总是相差一个固定值

A。当指令地址改变时，由于其位移量不变，使得操作数与指令在可用的存储区内一起移动，所以仍能保证程序的正确执行。②采用PC相对寻址方式编写的程序可在主存中任意浮动，它放在主存的任何地方，所执行的效果都是一样的。

③广泛用于转移指令，由于指令中给出的位移量可正、可负，所以对于指令地址而言，操作数地址可能在指令地址之前或之后。第60页，课件共83页，创作于2023年2月相对寻址举例M随程序所在存储空间的位置不同而不同EA=(M+3)–3=M–3*LDA#0LDX#0ADDX,DINXCPX#NBNEMDIV#NSTAANSMM+1M+2M+3而指令BNE与指令ADDX,D相对位移量不变–3*指令BNE操作数的有效地址为–3*相对寻址特征*第61页，课件共83页，创作于2023年2月按字节寻址的相对寻址举例OP位移量2000H2008H8JMP*+8OP06H2000H2008H8设当前指令地址PC=2000H转移后的目的地址为

2008H因为取出JMP

*+8后PC=2002H二字节指令故JMP

*+8指令的第二字节为2008H-2002H=6H第62页，课件共83页，创作于2023年2月EXP设相对寻址的转移指令占3个字节，第一个字节为操作码，第二、三字节为相对位移量（补码表示），而且数据在存储器中采用小段方案存放方式。每当CPU从存储器取出一个字节时，即自动完成pc+1---pc。

1）若PC当前的值为240（十进制），要求转移到290（十进制），则转移指令的第二、三字节的机器代码是什么？

2）若PC当前的值为240（十进制），要求转移到200（十进制），则转移指令的第二、三字节的机器代码是什么？

第63页，课件共83页，创作于2023年2月页面寻址

页面寻址相当于将整个主存空间分成若干个大小相同的区，每个区称为一页，每页有若干个主存单元。每页都有自己的编号，称为页面地址；页面内的每个主存单元也有自己的编号，称为页内地址。这样，操作数的有效地址就被分为两部分：前部为页面地址，后部为页内地址。页内地址页面地址第64页，课件共83页，创作于2023年2月页面寻址（续）

页内地址由指令的地址码部分自动直接提供，它与页面地址通过简单的拼装连接就可得到有效地址，无须进行计算，因此寻址迅速。根据页面地址的来源不同，页面寻址又可以分成三种不同的方式：基页寻址，EA=0∥A，操作数S在零页面中。基页寻址实际上就是直接寻址。当前页寻址，EA=(PC)H∥A，操作数S与指令本身处于同一页面中。页寄存器寻址，页面地址取自页寄存器，与形式地址相拼接形成有效地址。第65页，课件共83页，创作于2023年2月指令寄存器主存储器OPA0页1页N-1页指令所在页………0页操作数0页基页寻址A页内地址页面地址EA操作数3800000000000000000000380038255页64K第66页，课件共83页，创作于2023年2月指令寄存器主存储器OPA0页1页N-1页指令所在页………指令所在页操作数…PCHPCLPCH程序计数器当前页寻址页内地址页面地址EA操作数APCH操作数38382F852F2F38255页64K第67页，课件共83页，创作于2023年2月堆栈寻址(1)堆栈的特点堆栈硬堆栈软堆栈多个寄存器指定的存储空间先进后出（一个入出口）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栈顶第68页，课件共83页，创作于2023年2月(2)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第69页，课件共83页，创作于2023年2月(3)SP的修改与主存编址方法有关①按字编址进栈出栈（SP）–1SP（SP）+1SP②按字节编址存储字长16位进栈出栈（SP）–2SP（SP）+2SP存储字长32位进栈出栈（SP）–4SP（SP）+4SP第70页，课件共83页，创作于2023年2月复合寻址先变址后间址（(ix)+A）----有效地址先间址后变址(A)+(ix)----有效地址EXPix000010op100000000011000001100000100100100010000011100110000111第71页，课件共83页，创作于2023年2月EXP

机器字长为16位，内存容量为64k，指令为单字长指令，有50种操作，采用基址、间址和直接寻址，问:1）指令格式如何安排2）存储器划分多少页面3）能否有其它寻址方式第72页，课件共83页，创作于2023年2月EXP某计算机字长16位，存储器按字编址，访内指令格式如下OPMAA为形式地址占8位。M为寻址方式占3位该指令能