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第 3 章 指令系统

第 4 章 数值的机器运算. 第 3 章 指令系统. 111100001100000011100001111001111010010001111111111000010001000000111001000111000011111110100011111110000111110101001100101. 微程序. 微指令. 属硬件. 软、硬件. 机器指令. 汇编指令. 属软件. 属软件. 宏指令. 本章引言. 计算机指令. 本章引言. 　　机器指令 : 是机器硬件能直接识别并执行的操作命令。这是本章要讨论的重点。.

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第 3 章 指令系统

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  1. 第4章数值的机器运算 第3章 指令系统

  2. 111100001100000011100001111001111010010001111111111000010001000000111001000111000011111110100011111110000111110101001100101111100001100000011100001111001111010010001111111111000010001000000111001000111000011111110100011111110000111110101001100101 微程序 微指令 属硬件 软、硬件 机器指令 汇编指令 属软件 属软件 宏指令 本章引言 计算机指令

  3. 本章引言 　　机器指令:是机器硬件能直接识别并执行的操作命令。这是本章要讨论的重点。 每一条机器指令可完成一个独立的操作功能，如一个数据的传送，一次加法、减法等算术运算，一次与、或等逻辑运算。它与汇编指令有一一对应的关系。 指令系统(Instruction Set): 是指一台计算机上能够执行的全部指令的集合.也称计算机的指令集。不同硬件结构的机器具有不同的指令系统.

  4. 指令系统 指令系统处在软/硬件交界面，能同时被硬件设计者和系统程序员看到 硬件设计者角度：指令系统为CPU提供功能需求，是设计硬件结构的依据。 系统程序员角度：通过指令系统来使用硬件，指令系统提供的功能就是他所能使用的全部功能 。 指令系统设计的好坏决定了：计算机的性能和成本 software instruction set hardware 图1 指令与计算机软件、硬件的关系

  5. 本章主要内容 介绍计算机指令系统的基本知识,如机器指令的格式、编码方式、操作数的寻址方式、常用指令的功能等，同时还要介绍指令系统设计中的CISC风格和RISC风格，理解CISC和RISC的区别和各自的特点。

  6. 3.1.1 机器指令的基本格式 指令的操作码字段 指令的操作码字段 指令的操作码字段 指令的操作码字段 指令的操作码字段 指令的操作数或操作数的地址字段 操作码 操作数或地址码字段 操作码字段 教学计算机的机器指令 汇编指令 例如： 00000000 00010010 ADD R1，R2 00000001 00010010 SUB R1，R2 00000011 00110000 CMP R3，R0 0000101000000011 SHR R3 10000000 00000000 JMPA ADR ADR（16位） 3.1 指令的格式 操作码：指明操作的性质及功能。 地址码：指明操作数的地址。特殊情况下也可能直接给出操作数本身。

  7. 1.四地址指令 (A1) OP (A2) →A3 A4：下条将要执行指令的地址 Ai表示地址，(Ai)表示存放于该地址中的内容。 四地址指令至少需要5次访存的操作 。 3.1.2 地址码结构 OP A1 A2 A3 A4 一条指令除操作码之外，还应包含以下信息： 操作数地址，操作结果存放地址； 下条将要执行指令的地址。 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。

  8. ①次访存 20 21 指令 下条指令 … 100 第1操作数 … 180 第2操作数 … 操作结果 280 ⑤次访存 ②次访存 ③次访存 ④次访存 图2 存放主存中的指令和数据

  9. 2.三地址指令 (A1) OP (A2)→A3 下条指令的地址是这样得到的: (PC)+1→PC（隐含） (PC :程序计数器) 执行一条三地址的双操作数运算指令，至少需要访问4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。 OP A1 A2 OP A1 A2 A3 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，同样至少需要访问4次主存。

  10. 4.一地址指令 （2） (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２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器(Acc)中，所以读取和存入都不需要访问主存。 OP OP A1 （1）有些指令本身就只需要一个操作数,例:INC 、DEC、NOT 、JMP、CALL 5.零地址指令 操作数地址是隐含的。参加运算的操作数放在堆栈中，运算结果也放在堆栈中。 指令中地址个数的选取要考虑诸多的因素。从缩短程序长度，用户使用方便，增加操作并行度等方面来看，选用三地址指令格式较好；从缩短指令长度，减少访存次数，简化硬件设计等方面来看，一地址指令格式较好。

  11. (1)三地址指令 MUL A，B，X SUB C，D，Y ADD X，Y，X ADD E，F，Y DIV X，Y，X 解：设A、B 、C、D …为操作数a、b、c..的地址 不同地址数的指令其特点和适用场合 例：分别用三地址、二地址、一地址指令编程计算 X=(a× b + c - d) / ( e + f ) (3)一地址指令 LOAD E ADD F STORE X LOAD A MUL B ADD C SUB D DIV X STORE X (2)二地址指令 MOV X，A MUL X，B ADD X，C SUB X，D MOV Y，E ADD Y，F DIV X，Y 需5条指令 需7条指令 需9条指令（注：需要将累加器设为隐含地址） 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。 一地址指令较短，但使程序较长。

  12. 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。所以有单字节指令、多字节指令、单字长指令、双字长指令等多种情况。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。所以有单字节指令、多字节指令、单字长指令、双字长指令等多种情况。 问题：教学计算机是哪种情况呢？ Intel 8086的指令系统指令长度: 1 ～6 个字节 INC AX 1 字节 ADD AX，BX 2 字节 ADD AX，3048H 3 字节 ADD AX，[3048H] 4 字节 MOV WORD PTR[0204], 0138H 6 字节 2. 指令的长度 操作码的长度 指令字长决定于 操作数地址的个数ET 操作数地址的长度

  13. 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。 3.1.3 指令的操作码 1.规整型(定长操作码)基本思想: 指令的操作码部分采用固定长度的编码如：假设操作码固定为6位，则系统最多可表示64种指令。 特点: 译码方便，但有信息冗余。 • 举例: IBM360 采用: • ８位定长操作码，最多可有256条指令 • 只提供了183条指令，有73种编码为冗余信息 • 机器字长32位，按字节编址 • 有16个32位通用寄存器，基址器B和变址器X可用其中任意一个

  14. IBM370指令格式 Ri：寄存器 X：变址器 Bi：基址器 Di：位移量 I：立即数 L：数的长度 RR型 R1 OP R2 RX型 R1 D OP X B RS型 R1 D OP R3 B SI型 OP I D B SS型 L D1 B1 OP D2 B2 8 4 12 4 8 12 第1个半字 第2个半字 第3个半字 RR：寄存器 - 寄存器 SS：基址存储器 - 基址存储器 RX：寄存器 - 变址存储器 SI：基址存储器 - 立即数 RS：寄存器 –基址存储器

  15. 3.1.3 指令的操作码 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。 图３　指令译码电路示意图

  16. 2. 非规整型（变长操作码） 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。 3.1.3 指令的操作码 OP Mod Ri Mod Rj 四位 六位 六位 OP（8） Ri Mod Rj OP（10） Mod Rj OP（13） Rj OP（16） 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。

  17. 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。 3. 变长操作码的扩展操作码法 3.1.3 指令的操作码 例如：设某机的指令长度为16位，每个地址字段占４位，试分析可设计三地址指令，二地址指令、一地址指令和零地址指令各多少条？

  18. 解: 4位 4位 4位 4位 A1 A2 OP 0000 XXXX YYYY ZZZZ 1110 XXXX YYYY ZZZZ OP A1 A2 A3 15条三地址指令 … A1 OP 1111 0000 XXXX YYYY 1111 1110 XXXX YYYY 15条二地址指令 … 1111 1111 0000 XXXX 1111 1111 1110 XXXX 15条一地址指令 … 1111 1111 1111 0000 1111 1111 1111 1111 16条零地址指令 … OP OP 扩展标志 1111 扩展标志 1111 1111 扩展标志 1111 1111 1111 特点：操作码的位数随地址数的减少而增加。

  19. 例２ . 指令字长为12位，每个地址码为3位，采用扩展操作的方式，设计4条三地址指令、16条二地址指令、64条一地址指令和16条零地址指令的编码方案。

  20. 000××× ×××××× 　　 ┆　　　　　　 ┆ 011×××××× ××× 100000 ×××××× ┆　　　　　　 ┆ 101111××× ××× 110000000××× ┆　　　　　　 ┆ 110111111××× 111000000000 ┆　　　　　　 ┆ 111000001111 【解】 操作码的扩展编码方案如下图所示。 4条三地址指令 16条二地址指令 64条一地址指令 16条零地址指令

  21. 练习： 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，试提出一种方案，使该系统包含４条三地址指令，８条二地址指令，180 条单地址指令。 最多还可以扩展多少条零地址指令？

  22. 3.2寻址技术 3.2.1 编址方式 1.　编址单位（复习） ⑴　字编址 　　每个编址单位所包含的信息量（二进制位数）与字长是相同的。早期的大多数机器都采用这种编址方式。 特点是什么？ 控制容易 ⑵ 字节编址 　　字节编址方式使编址单位与信息的基本单位（一个字节）相一致，灵活、节省空间这是它的最大优点。

  23. 2. 指令中地址码的位数 主存容量越大，所需的地址码位数就越长。对于相同容量来说，如果以字节为最小寻址单位，地址码的位数就需要长些；如果以字为最小寻址单位（假定字长为16位或更长），地址码的位数可以减少。 设某机主存容量为220 （1MB)个字节，机器字长16位。若最小寻址单位为字节（按字节编址），其地址码应为20位；若最小寻址单位为字（按字编址），其地址码19位。 3.2.1 编址方式 问题： 若主存容量为4GB，编址单位是字节，则主存单元的地址是多少位？若按字（假定一个字为32位）编址，则主存单元的地址多少位？ 字节编址：32位 字编址：1GW 地址30位

  24. 3.2.2 指令寻址 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。 寻址技术包括指令寻址和操作数寻址。 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。 • 指令的寻址----简单 正常：PC增量 跳转 ( jump / branch / call / return ) • 操作数的寻址----复杂 操作数来源：寄存器 / 外设端口 / 主(虚)存 / 栈顶 操作数结构：位 / 字节 / 半字 / 字 / 双字 / 一维表 / 二维表 /… 所以，讨论寻址方式时一般都是针对 操作数的寻址。

  25. 3.2.2 指令寻址 指令地址 指令 指令地址寻址方式 PC 0 LDA 1000 +1 1 1 ADD 1001 顺序寻址 2 2 DEC 1200 顺序寻址 3 JMP 7 3 顺序寻址 4 LDA 2000 5 SUB 2001 6 INC 跳跃寻址 7 STA 2500 7 顺序寻址 8 LDA 1100 8 9 ... 指令寻址: 通常PC是存放下一条指令地址的部件.所以指令的地址总体分二种情况。 顺序寻址、跳跃寻址 说明: 对不同机型来说跳跃寻址又细分为多种方式。

  26. 3.2.3 基本的数据寻址方式 答案：地址字段的编码与操作数的寻址方式有直接的关系！ • 地址字段的编码优化的原则： 使指令的地址字段尽量地短！ 操作数存放位置灵活，空间应尽量大！ 有效地址计算过程尽量简单！ 目标代码短，省空间 有利于编译器优化产生高效代码 指令执行快 为什么在讨论机器指令格式时要涉及寻址方式呢？这与汇编课中学习寻址方式的目的有区别吗？ 不同的寻址方式在不同程度上满足了以上优化的特点。 通常在指令的地址码中不直接给出被运算数在主存中存放的地址，而是给出寻找操作数有效地址的编码方法和位移量。 所以在地址字段中给出的地址称为形式地址A！

  27. 。 指令中的形式地址 A 有效地址EA 3.2.3 基本的数据寻址方式 寻址特征M OP 形式地址 A 所以通常有以下关系： 寻址方式 有效地址EA就是根据指令中的寻址方式计算得到的操作数的实际地址。 • 如何表示不同的寻址方式： （1）在操作码中给定寻址方式 如：教学计算机。 （2）设专门的寻址方式特征位 如：X86指令，指令中有多个操作数，且寻址方式各不相同，需要各自说明寻址方式。 下面用一地址指令介绍大多数计算机常用的几种基本寻址方式。

  28. 3.2.3 基本的数据寻址方式 可正可负、补码 M 立即寻址特征 OP Ｍ A 立即数 1. 立即寻址 ： 操作数直接在指令中给出。 特点: • 取指即获操作数,指令执行阶段不访存,速度快. • A 的位数限制了立即数的范围 • 由于程序运行中，指令是不能改变的，因而立即数寻址方式中的操作数是不能改变的。这种方式适合于表示一些固定不变的常数。

  29. 3.2.3 基本的数据寻址方式 Ri OP 通用寄存器 操作数 2. 寄存器寻址 操作数在寄存器中,而地址字段表示寄存器的编号。 EA = Ri 有效地址即为寄存器编号 特点: 操作数 • 执行阶段不访存，只访问寄存器，执行速度快。 • 寄存器个数有限，所以寄存器的编码也不长，故可缩短指令地址字段的长度。

  30. 3.2.3 基本的数据寻址方式 主存储器 A OP 操作数 3. 存储器直接寻址 操作数在存储器中，指令中给出其主存中地址。 100 操作数S=(A) 100 操作数 特点: • 直观、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. 这种方式适于访问固定的主存单元。

  31. 4.间接寻址 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地址。 EA=(A) 通常在指令格式中划出一位＠作为标志位。 ＠=0 直接寻址 ＠=1 间接寻址 3.2.3 基本的数据寻址方式 主存储器 ＠ A OP EA 操作数 100 100 200 200 操作数 操作数S=((A)) 间接寻址要比直接寻址灵活得多，它的主要优点为：  扩大了寻址范围，可用指令的短地址访问大的主存空间。

  32. 5.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，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。 主存储器 ＠ Ri OP 通用寄存器 EA 操作数 3.2.3 基本的数据寻址方式 R5 R5 100 操作数 100 EA=(Ri) 操作数S=((Ri)) 特点： • 指令较短，并且在取指后只需一次访存； • 便于编制循环程序

  33. 问题:下图所指的寻址方式的名称是什么？ 立即寻址 寄存器寻址

  34. 问题:下图所指的寻址方式的名称是什么？ 存储器直接寻址

  35. 问题:下图所指的寻址方式的名称是什么？ 寄存器间接寻址 存储器间接寻址

  36. 基本寻址方式的算法和优缺点 方式 算法 主要优点 主要缺点 立即 操作数=A 指令执行速度快 操作数幅值有限 直接 EA=A 有效地址计算简单 地址范围有限 存储器间接 EA=(A) 有效地址范围大 多次存储器访问 寄存器 操作数=(R)指令执行快，指令短 数量有限 寄存器间接 EA=(R) 指令短、地址范围大 需一次访存 偏移 EA=A+(R) 灵活 计算地址复杂 堆栈 EA=栈顶 指令短 应用有限 假设：A=形式地址，R=寄存器编号， EA=有效地址 其中的偏移寻址又可分为：相对寻址、基址寻址、变址寻址

  37. 偏移寻址方式 + 存储器 A ...... R OP EA 操作数 • 偏移寻址：EA=A+(R) R可以明显给出，也可以隐含给出。 R可以为PC、基址寄存器B、变址寄存器I，偏移寻址又可分为以下三种： • 相对寻址： EA=A+(PC) 相对于当前指令处位移量为A的单元 • 基址寻址： EA=A+(B) 相对于基址(B)处位移量为A的单元 • 变址寻址： EA=A+(I) 相对于首址A处位移量为(I)的单元

  38. 指令寄存器 主存储器 D JMP 操作数 -D 指令 ALU +D 操作数 下条指令地址 程序计数器PC (1)相对寻址方式 2000 MVRD R2，000A 2002 MVRD R0，0 2004 ADD R0，R2 2005 DEC R2 2006 JRNZ 2000 2007 RET 20 -20 0E0 目标地址 100 120 目标地址 100 操作数S=((PC)+D) D用补码表示 • 当需要转到当前指令的前面或后面第n条指令执行时，可以用相对寻址方式。 注意:有的机器在计算相对地址时，PC中存放的还是当前正在执行的指令的地址，但有的机器PC加“1”的操作在取指令的同时完成，所以在计算相对地址时，PC通常是下一条指令的地址。

  39. 相对寻址方式 思考：设地址为 2000H的相对转移指令占两个字节，第一个字节是操作码，第二个字节是相对位移量，若PC的值是下条指令的地址，问： (1)若第二个字节的内容为0７H，则转移到的地址为？ ① 2008H ② 2009H ③ 1FFCH ④ FFBH (2)若转移到的地址为1FFDH，则第二个字节的内容为？ ① 05H ② FBH ③ FDH ④ FFH 相对寻址方式的特点： • 便于程序浮动，广泛用于转移指令。 • 可缩短地址字段的长度

  40. (2)变址寻址 自动变址 指令中的地址码A给定数组首址，变址器I每次自动加/减数组元素的长度x。 EA=( I )+A I=( I ) ± x 在元素地址从低→高地址增长时，“+”； 在元素地址从高→低地址增长时，“-” 可提供对线性表的方便访问 存储器 A[0] A=100 变址器I A[1] A[2] 0 A[3] 假定一维数组A从内存100号单元开始 若每个元素为一个字节，则 I=(I) ± 1 若每个元素为4个字节，则 I=(I) ± 4

  41. (3) 基址寻址 100 基址为100 ADD AX, #51 150 120 151 200 SUB AX, #51 基址为200 240 130 251 应用：实现程序重定位 存储器 用户程序1 ADD AX, #51 50 51 120 用户程序2 SUB AX, #51 40 51 130 “ # ” 表示基址寻址方式 每个用户程序装入系统后都有一个基地址，基址寻址操作数在相对于基址的偏移单元中，所以虽然偏移都是51，但操作数不同。

  42. 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称为页内地址。这样，操作数的有效地址就被分为两部分： 页面地址 页内地址 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。 根据页面地址的来源不同，又可以分成三种不同的方式： ①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 ②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。 ③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。

  43. 基页寻址 38 38 主存储器 00 00 00 00 00 00 00 00 00 00 指令寄存器 0页 OP A 1页 … 0页 操作数 指令 所在页 … … N-1页 0页 A EA 64K 操作数 页面地址 页内地址 0038 255页

  44. 当前页寻址：指令与操作数都在相同页中 2F 38 38 主存储器 指令寄存器 … OP A 0页 1页 … 操作数 指令 所在页 指令 所在页 … PCH PCH PCL 2F85 程序计数器 … N-1页 A EA 操作数 操作数 页面地址 页内地址 2F38 64K PCH 255页 当前页寻址：指令与操作数同处一个页面，所以页面号是相同的。

  45. 教学机的指令格式 8位 4位 4位 操 作 码 目的寄存器 源寄存器 指令第1个字 I/O 端 口 地 址 相对转移指令的偏移量 立即数/ 直接地址 / 变址偏移量 指令第2个字 单字指令仅由一个机器字组成，分为三个主要部分。 最高 8 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 256 条指令。 最低的 8 位有多种用法：给出 1 或 2 个寄存器的编号，或输入/输出端口的地址，或用于给出相对转移指令的偏移量。 双字指令要由两个机器字组成，此时第二个字的内容可能是：一个立即数、一个直接地址、或 一个变址位移量。

  46. 教学计算机汇编指令的寻址方式举例： 立即数寻址 MVRD DR, DATA 寄存器寻址 MVRR DR, SR 寄存器间接寻址 LDRR DR, [SR] 直接寻址 JMPA ADR 相对寻址 JRC/JRNC ADR 堆栈寻址 PUSH SR

  47. 1.每一条指令中都包含操作码吗？ 2. 指令中要处理的操作数来自哪些部件？ 3. 什么是形式地址？什么是直接寻址？什么是有效地址？ 4. 程序计数器PC的内容是什么？什么情况PC要做加1操作？什么情况PC要接收新的内容？ 思考题

  48. 思考: 假设（R）＝1000，（1000）＝2000，（2000）＝3000 若：（PC）＝4000，问在以下寻址方式下访问到的操作数的值什么？ （1）寄存器寻址　R （2）寄存器间接寻址 （R） （3）直接寻址 1000 （4）相对寻址 －2000（PC） （5）立即数寻址 2000 【答案】 （1）Data=(R)=1000 （2）Data=（R）=（1000）=2000 （3）Data=（1000）＝2000 （4）EA＝（PC）-2000=4000- 2000=2000 Data=（EA）=(2000)=3000 （5）Data=2000

  49. 例题：某机字长为16位，存储器按字编址，访内存指令格式如下： 15 11 10 8 7 0 其中OP是操作码，M定义寻址方式，A为形式地址。设PC和Rx分别为程序计数器和变址寄存器，字长16位。 （1）该指令最多能定义多少条指令？ （2）表中各种寻址方式的寻址范围为多少？ （3）写出表中各种寻址方式的有效地址EA的计算公式。 【解】：因为OP字段长5位，所以最多能定义25=32条指令。 ──────────────────────────── 寻址方式 有效地址EA的计算公式 寻址范围 直接寻址 间接寻址 变址寻址 相对寻址 EA=A 256个字 EA=（A） 64K字 EA=（Rx）+A 64K字 EA=（PC）+A 256个字(PC附近)

  50. 例.设有一台计算机，其双操作数指令长度为16位，指令格式如下：例.设有一台计算机，其双操作数指令长度为16位，指令格式如下： 其中OP为操作码，占5位：R为寄存器编号，占3位，可有8个寄存器；M为寻址方式，占2位，与A一起决定源操作数，规定如下： M＝00，为立即寻址，A为立即数； M＝01，为相对寻址，A为位移量； M＝10，为变址寻址，A为位移量； 　假定要执行的指令存放在001000单元中，假若高5位00000代表加法操作，且该指令执行前存储器和有关寄存器的存储情况图（a）所示，其中地址码和数据是八进制表示。 15111087650 OPRMA

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