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1、第7章 指令系统,教学单元十四 ：寻址方式、指令格式举例及RISC技术。教学目标：（1）掌握寻址方式；（2）掌握指令举例。,7.3 寻 址 方 式,寻址方式,确定 本条指令 的 操作数地址下一条 欲执行 指令 的 指令地址,寻址方式,7.3 寻 址 方 式,一、指令寻址,顺序,跳跃,由转移指令指出,二、数据寻址,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,1. 立即寻址,指令执行阶段不访存,A 的位数限制了立即数的范围,可正可负 补码,形式地址 A 就是操作数,教学计算机指令格式,8位 4位 4位,IO端口地址 / 相对偏移量,SR,DR,
2、操作码,MVRD R3,1234 R3立即数1234,D表示立即数寻址,2. 直接寻址,EA = A,寻址特征,A,ACC,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,有效地址由形式地址直接给出,STRA 2000, R2 把R2的内容写入到地址为2000的内存单元之中，A表示直接地址寻址。,3. 隐含寻址,操作数地址隐含在操作码中,寻址特征,A,ACC,暂存,另一个操作数隐含在 ACC 中,如 8086,MUL 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，
3、可缩短指令字长,4. 间接寻址,EA =（A）,有效地址由形式地址间接提供,寻址特征,A,EA,主存,EA,A1,EA,A1,主存,EA,1,0,执行指令阶段 2 次访存,可扩大寻址范围,寻址特征,A,一次间址,多次间址,操作数,操作数,多次访存, ,80,81,201,202,调用子程序,调用子程序,间接寻址编程举例, 间址特征,JMP 302,302,5. 寄存器寻址,EA = Ri,执行阶段不访存，只访问寄存器，执行速度快,寻址特征,寄存器个数有限，可缩短指令字长,有效地址即为寄存器编号,ADD R0,R1表示 R0R0+R1R代表寄存器寻址,MVRR R0,R1把寄存器R1的内容传送到
4、寄存器R0；,EA = ( Ri ),6. 寄存器间接寻址,操作数,主存,寻址特征,有效地址在寄存器中,STRR R8,R9 把R9的内容传送到以寄存器R8的内容为地址的内存单元之中；R字母两侧加上方括号，代表寄存器间接寻址，,7. 基址寻址,(1) 采用专用寄存器作基址寄存器,EA = ( BR ) + A,BR 为基址寄存器,操作数,主存,寻址特征,可扩大寻址范围,有利于多道程序,BR 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,(2) 采用通用寄存器作基址寄存器,寻址特征,R0 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,基址寄存器的内
5、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,8. 变址寻址,EA = ( IX ) +A,寻址特征,可扩大寻址范围,便于处理数组问题,IX 的内容由用户给定,IX 为变址寄存器（专用）,在程序的执行过程中 IX 内容可变，形式地址 A 不变,通用寄存器也可以作为变址寄存器,LDRX R1,12R2用X表示变址寻址， 把变址寄存器R2的内容与变址偏移量12相加作为内存地址，进行读操作，读出的数据传送的寄存器R1；,P316变址寻址的例子,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,LDA D,ADD D + 1,ADD D + 2,ADD D
6、 + ( N -1 ),DIV # N,STA ANS,LDA # 0,LDX # 0,INX,CPX # N,BNE M,DIV # N,STA ANS,共 N + 2 条指令,共 8 条指令,ADD X, D,M,X 为变址寄存器,D 为形式地址,(X) 和 #N 比较,(X) +1 X,结果不为零则转,D ACC,9. 相对寻址,EA = ( PC ) + A,A 是相对于当前指令的位移量（可正可负，补码）,A 的位数决定操作数的寻址范围,程序浮动,广泛用于转移指令,操作数,寻址特征,相对距离 A,(1) 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
7、 = M,(2) 按字节寻址的相对寻址举例,JMP * + ?,设 当前指令地址 PC = 2000H,转移后的目的地址为 2008H,因为 取出 JMP * + ? 后 PC = 2002H,二字节指令,故 JMP * + ? 指令 的第二字节为 2008H - 2002H = 06H,例,设相对寻址的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，用补码表示。假设当前转移指令第一字节所在的地址为2000H，且CPU每取出一个字节便自动完成（PC）+ 1PC的操作。试问当执行JMP * +8和JMP * -9指令时，转移指令第二字节的内容各为多少？,双字节相对寻址，位移量的内
8、存存放,P318例7.2,10. 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, 1,1FFFH,2000 H,栈底,SP,2000 H,1FFFH,栈顶,栈底,堆（heap） 栈（stack）,AX=30,AX （SP）,出栈,（SP） AX,(2) 堆栈寻址举例,PUSH A 前,PUSH A 后,POP A 前,POP A 后,(3) SP 的修改与主存编址方法有关, 按 字 编址,进栈,出栈, 按 字节 编址,存储字长 16 位,进栈,出栈,存储字长 32 位,进栈,出栈,P319例7.3,7.4 指令
9、格式举例,一、设计指令格式时应考虑的各种因素,1. 指令系统的 兼容性,（向上兼容）,2. 其他因素,操作类型,数据类型,指令格式,包括指令个数及操作的难易程度,指令字长是否固定,寻址方式,寄存器个数,地址码位数、地址个数、寻址方式类型,操作码位数、是否采用扩展操作码技术，,确定哪些数据类型可参与操作,指令寻址、操作数寻址,寄存器的多少直接影响指令的执行时间,二、指令格式举例,1. PDP 8,指令字长固定 12 位,采用扩展操作码技术,PC/0,7,6,3,9,2. PDP 11,指令字长有 16 位、32 位、48 位三种,零地址 (16 位),一地址 (16 位) 寄存器,二地址 R R
10、 (16 位),二地址 R M (32 位),二地址 M M (48 位),扩展操作码技术,16位机器,3,3,3. IBM 360,二地址 R R,32位机器,4. Intel 8086,(1) 指令字长,(2) 地址格式,1 6 个字节,MOV WORD PTR0204, 0138H 6 字节,INC AX 1 字节,一地址,NOP 1 字节,CALL,零地址,寄存器 寄存器,寄存器 立即数,寄存器 存储器,ADD AX，BX 2 字节,ADD AX，3048H 4 字节,ADD AX，3048H 3 字节,二地址,CALL,16位,指令格式设计举例：,指令系统共有74种指令，前4种使用频
11、率平均为0.12，中间15种使用频率平均为0.02，最后55种使用频率平均为0.004。如何编码？平均码长为多少？,平均码长的定义：,i：表示指令Fi：指令的频率（度）Bi：编码所用的位数,000 001 010 011 100-0000 100-1110 100-1111- 000000 100-1111- 110110平均码长：0.1243 + 0.02157 + 0.0045513 =1.44+2.1+2.86=6.4,解：,频率,4 0.12,指令数,15 0.02,55 0.004,7.5 RISC 技 术,一、RISC 的产生和发展,80 20 规律,典型程序中 80% 的语句仅仅
12、使用处理机中 20% 的指令,执行频度高的简单指令，因复杂指令的存在，执行速度无法提高,RISC（Reduced Instruction Set Computer）,CISC（Complex Instruction Set Computer）,二、RISC 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,三、CISC 的主要特征,系统指令 复杂庞
13、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,四、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,完,作业：P3357.147.16,教学单元小结：,指令寻址和数据寻址方式；指令格式的举例；RISC技术。,
