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第 5 章 指令系统

第 5 章 指令系统. 指令（机器指令） ：让计算机执行某种操作的命令。 指令系统： 一台计算机中所有机器指令的集合。. 第 5 章 指令系统. §5.1 指令格式 §5.2 寻址方式 §5.3 指令类型 §5.4 堆栈和堆栈存取方式 §5.5 CISC 与 RISC 指令 §5.6 MMX 技术. §5.1 指令格式. 一、指令格式 二、指令长度. 操作码字段 OP. 地址码字段 D. 一、指令格式. 1 、机器指令的组成： 由 操作码 （表示操作性质）和 操作数 （表示操作对象）或 操作数的地址码 组成。.

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第 5 章 指令系统

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  1. 第5章 指令系统 指令（机器指令）：让计算机执行某种操作的命令。 指令系统：一台计算机中所有机器指令的集合。

  2. 第5章 指令系统 §5.1 指令格式 §5.2 寻址方式 §5.3 指令类型 §5.4 堆栈和堆栈存取方式 §5.5 CISC与RISC指令 §5.6 MMX技术

  3. §5.1 指令格式 一、指令格式 二、指令长度

  4. 操作码字段 OP 地址码字段 D 一、指令格式 1、机器指令的组成： 由操作码（表示操作性质）和操作数（表示操作对象）或操作数的地址码组成。 2、指令的基本格式： 例:(51) ADD A, direct 25 direct 00101001 00001000

  5. （1）三地址指令： OP D1 D2 D3 （2）二地址指令： OP D1 D2 （3）一地址指令： OP D OP （4）零地址指令： 一、指令格式 3、按指令包含的地址的个数分类：

  6. 二、指令长度 原则： 1.指令长度应为存储器基本字长的整数倍 ： 指令长度可以固定，也可以变化。 2.指令字长应尽量短： 有利于提高程序的效率，即减少所需存储量和加快运行速度。

  7. §5.2 寻址方式 一、立即寻址 二、直接寻址 三、间接寻址 四、寄存器(直接)寻址 五、寄存器间接寻址 六、寄存器变址寻址 七、相对寻址 八、基址寻址 九、隐含寻址方式 十、其它寻址方式

  8. 存储器地址 存储器内容 存储器地址 存储器内容 n 操作码 n 操作码 n+1 8位立即数 n+1 立即数低8位 n+2 下条指令 n+2 立即数高8位 n+3 下条指令 (b) 16位立即数 (a) 8位立即数 图5.1 按字节编址机器中的立即寻址指令 §5.2 寻址方式 一、立即寻址： 指令直接给出操作数（立即数）本身。 例如：MOV A, #data 74 data

  9. 存储器地址 存储器内容 n 操作码 n+1 操作数地址低8位 n+2 操作数地址高8位 n+3 下条指令 图5.2 按字节编址机器中的直接寻址指令 §5.2 寻址方式 二、直接寻址： 指令直接给出操作数地址。 例如：MOV A,direct E5 direct

  10. OP @ 间接地址 主存 有效地址 图5.3 单级间接寻址 操作数 §5.2 寻址方式 三、间接寻址： 指令给出存放操作数地址的存储单元地址。

  11. OP 寄存器号 OP 寄存器号1 寄存器号2 §5.2 寻址方式 四、寄存器(直接)寻址： 操作数在指令指定的CPU的某个寄存器中。 优点： 1、CPU寄存器数量远小于内存单元，所以寄存器号比内存地址短，因而寄存器寻址方式指令短； 2、操作数已在CPU中,不用访存，因而指令执行速度快。 例如：MOV A,Rn E8-EF

  12. §5.2 寻址方式 五、寄存器间接寻址： 操作数地址在指令指定的CPU某个寄存器中。 例如：MOV A，@Ri E6,E7

  13. OP 寄存器号 形式地址 §5.2 寻址方式 六、寄存器变址寻址： 指定一个CPU寄存器（称为变址寄存器）和一个形式地址，操作数地址是二者之和。 形式地址：指令的操作数地址字段不是操作数的真实地址。 例如：MOV AL，[SI+1000H] 其中：SI为变址寄存器，1000为形式地址。

  14. §5.2 寻址方式 SI data n … + data 2 data 1 形式地址 图5.4 变址寻址选择数组数据

  15. §5.2 寻址方式 七、相对寻址： 相对寻址是把程序计数器PC的内容，加上由指令给出的形式地址而形成操作数地址。 相对寻址实际上是规定了操作数和指令的相对位置，因而得名。 采用相对寻址便于编制可浮动程序，这种程序随便放在内存什么位置，都能正常运行。 相对寻址是以程序计数器PC作为变址寄存器的特殊变址寻址的情况。 例如:MOVC A, @A+PC

  16. §5.2 寻址方式 八、基址寻址： 基址寻址是把由指令中给出的地址(形式地址，或称位移量)与CPU 中的某个基址寄存器相加而得到实际的操作数地址。

  17. §5.2 寻址方式 九、隐含寻址方式 ： 操作码中隐含着操作数地址。 例如单地址指令中只给出一个操作数地址，另一个操作数规定为累加器，它的地址就是隐含的。另外，如堆栈指令，其操作数在堆栈内，指令中无需指出具体地址。

  18. §5.2 寻址方式 十、其它寻址方式： 有的计算机指令系统中还有更复杂的寻址方式，如基址变址寻址、位寻址、块寻址、串寻址等等 。

  19. §5.3 指令类型 一、指令系统的设计原则 二、指令分类

  20. 一、指令系统的设计原则 1、完备性： 指令系统的功能应尽量完备 。 2、兼容性： 至少要能做到“向上兼容”，即低档机上运行的软件可以在高档机上运行。 3、均匀性： 数据处理指令能对多种类型的数据进行处理，包括三种整数(字节、字、双字)和两种浮点数(单精度和双精度浮点数)。 4、可扩充性： 操作码字段要保留一定的空间，以便需要时进行功能扩充。

  21. 指令操作码的扩展技术 在指令字中用一个固定长度的字段来表示基本操作码，而对于一部分不需要某个地址码的指令，把它们的操作码扩充到该地址字段，这样既能充分地利用指令字的各个字段，又能在不增加指令长度的情况下扩展操作码的长度，使它能表示更多的指令。

  22. 指令操作码的扩展技术 例1：已知指令字长为16位，每个地址码为4位，采用扩展操作码的方式，设计15条三地址指令、15条二地址指令、15条一地址指令、16条零地址指令。

  23. 指令操作码的扩展技术

  24. 指令操作码的扩展技术 例2：某机指令系统采用定字长指令格式，指令字长32位，每个操作数的地址编码长12位。指令分二地址、单地址和无地址三类。若二地址指令有K条，一地址指令有L条，则无地址指令有多少条？ 解： 1、[（28-K）×212-L] ×212 2、 232 - K×224 - L×212

  25. 二、指令分类 1、按功能分类 2、按操作数个数分类 3、按操作数寻址方式分类

  26. 1、按功能分类 1、按功能分类： （1）、算术和逻辑运算指令 （2）、移位指令和循环指令 （3）、传送类指令 （4）、串指令 （5）、顺序控制指令 （6）、CPU控制指令 （7）、输入、输出指令

  27. 1、按功能分类 （1）、算术和逻辑运算指令: 加（ADD）、减（SUB）、比较（CMP）、乘（MUL）、除（DIV）、与（AND）、或（OR）、取反（NOT）、异或（XOR）、变补（NEG）、加1（INC）、减1（DEC）、带进位的加（ADC）、带借位的减（SBB）指令等。

  28. 1、按功能分类 （2）、移位指令和循环指令： 算术移位、逻辑移位、环移、半字交换等。 （3）、传送类指令： 传送（MOV）、交换（XCHG）等。 （4）、串指令： 对字符串进行操作的指令。如有字符串传送、比较、检索等指令。

  29. 1、按功能分类 （5）、顺序控制指令： 用来控制程序执行的顺序。 有条件转移、无条件转移（JMP）、跳步（SKIP）、转子（CALL）、返主（RET）等指令。 （6）、CPU控制指令： 停机、开中断、关中断等指令。 （7）、输入、输出指令： 用于完成CPU与外部设备交换数据或传送控制命令及状态信息

  30. 2、按操作数个数分类 （1）、双操作数指令：如：ADD、SUB、AND等。 （2）、单操作数指令：如：NEG、NOT、INC、DEC等。 （3）、无操作数指令：如：停机，开中断、关中断等。

  31. 3、按操作数寻址方式分类 （1）、R-R型：两个操作数都在CPU的寄存器中。 （2）、R-S型：两个操作数中一个在CPU寄存器中，另一个在内存中。 （4）、S-S型：两个操作数都在内存中。

  32. §5.4 堆栈和堆栈存取方式 堆栈:一种特定的数据结构,其特点是后进先出(LIFO)或先进后出(FILO)。 入栈（进栈、压栈）:往堆栈里存数。 出栈（弹出）：从堆栈里取数。 一、用移位寄存器实现堆栈 二、内存中开辟堆栈区

  33. 栈顶 栈底 空栈： 栈顶 栈底 存入a: a 栈顶 栈底 存入b: a b 栈顶 栈底 取出b: a 图5.10 栈顶固定方式堆栈及其存取 一、用移位寄存器实现堆栈 用若干寄存器构成，又叫栈顶固定方式堆栈。

  34. 二、内存中开辟堆栈区 在内存中开辟堆栈区。 存储器单元固定，而栈顶位置动态变化。在CPU中专门设置堆栈指针SP，指示栈顶位置，存取只能在栈顶进行。 1、自底向上生成堆栈 2、自顶向下生成堆栈

  35. 二、内存中开辟堆栈区 1、自底向上生成堆栈： 建栈：堆栈指针SP指向栈底下面一个单元。 入栈操作（PUSH）步骤： 1）SP-1→SP 2）存入数据→（SP） 出栈操作（POP）步骤： 1）（SP）内容读出 2）SP+1→SP 入栈操作时，指针向减小的方向变化，所以叫自底向上生成堆栈。

  36. 二、内存中开辟堆栈区

  37. 二、内存中开辟堆栈区 2、自顶向下生成堆栈 ： 堆栈：指针SP指向栈底上面一个单元。 入栈：操作（PUSH）步骤： 1）SP+1→SP 2）存入数据→（SP） 出栈：操作（POP）步骤： 1）（SP）内容读出 2）SP-1→SP 入栈操作时，指针向增大的方向变化，所以叫自顶向下生成堆栈。

  38. §5.4 CISC与RISC指令 CISC：复杂指令集计算机。 RISC：精简指令集计算机。 一、复杂指令集计算机CISC 二、精简指令集计算机RISC 三、CISC与RISC之争论

  39. 一、复杂指令集计算机CISC 使指令系统越来越复杂的出发点： 1、使目标程序得到优化。 2、给高级语言提供更好的支持。 3、提供对操作系统的支持。

  40. 一、复杂指令集计算机CISC 设计目的：用最少的机器语言指令来完成所需的计算任务。 例如：乘法运算，MUL ADDRA, ADDRB C语言：a*=b 可以直接编译为一条乘法指令。

  41. 二、精简指令集计算机RISC 通过简化指令使计算机的结构更加简单合理，从而提高机器的性能。 RISC的特点: 1、指令数目较少，一般都选用使用频度最高的一些简单指令； 2、指令长度固定，指令格式种类少，寻址方式种类少； 3、大多数指令可在一个机器周期内完成； 4、通用寄存器数量多，只有存数/取数指令访问存储器，而其余指令均在寄存器之间进行操作。

  42. 二、精简指令集计算机RISC 例如：乘法运算，MUL ADDRA, ADDRB C语言：a*=b RISC架构要求软件来指定各个操作步骤。 MOV A, ADDRA; MOV B, ADDRB; MUL A, B; STR ADDRA, A。 这种架构可以降低CPU的复杂性以及允许在同样的工艺水平下生产出功能更强大的CPU，但对于编译器的设计有更高的要求。

  43. 三、CISC与RISC之争论

  44. §5.6 MMX技术 MMX是Intel公司为提高PC机上处理多媒体和通信能力而推出的新一代处理器技术。 它通过在Pentium或Pentium Pro处理器中增加8个64位寄存器和57条新指令来实现。

  45. 作业 P150 1、9、10

  46. 指令操作码的扩展技术 课堂练习：某机指令系统采用定字长指令格式，指令字长20位，每个操作数的地址编码长6位。指令分二地址、单地址和无地址三类。若二地址指令数取最大值，而且一地址指令数也取最大值，这3种指令最多可能拥有的指令数各是多少？ 解： 二地址：255、单地址：63、无地址：64

  47. 8086指令详解 8086采用变字节指令格式，指令由1-6个字节组成。一般指令格式如下： 第一字节： 操作码 D W D：方向位。D=0：REG为源操作数寄存器；D=1：REG为目的操作数寄存器。 W：字位。W=0：参加运算的操作数为字节；W=1：参加运算的操作数为字。

  48. 8086指令详解 第二字节： MOD REG R/M MOD：R/M中的操作数方式编码。 REG：寄存器编码。 R/M：MOD=11：第二操作数的寄存器编号；MOD=00、01、10：指出存储器操作数的计算方法。 第3-6字节根据指令需要取舍，一般由它指出存储器操作数地址的位移量或立即数。

  49. 8086指令详解 MOD字段编码表：

  50. 8086指令详解 REG字段编码表：

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