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1、1,第章 指 令 系 统,2,7.1 机 器 指 令,一、指令的一般格式,1. 操作码,反映机器做什么操作,(1) 长度固定,(2) 长度可变,用于指令字长较长的情况,，RISC,如 IBM 370,操作码 8 位,操作码分散在指令字的不同字段中,3,(3) 扩展操作码技术,操作码的位数随地址数的减少而增加,4 位操作码,8 位操作码,12 位操作码,16 位操作码,最多15条三地址指令,最多15条二地址指令,最多15条一地址指令,16条零地址指令,7.1,4,三地址指令操作码 每减少一种可多构成 24 种二地址指令,二地址指令操作码 每减少一种可多构成 24 种一地址指令,7.1,5,例7.
2、1,假设指令字长16位，操作数的地址码为6位，有零地址、一地 址、二地址三种指令格式 1）设操作码固定，若零地址指令有 P 种，一地址指令有 Q 种，则二地址指令最多有几种？ 2）采用扩展操作码技术，若二地址指令有 X 种，零地址有Y种，则一地址指令最多有几种？,解：操作数的地址码为6位，则二地址指令中操作码的位数为16-6-6=4操作码固定，则二地址指令最多有24-P-Q,6,假设指令字长16位，操作数的地址码为6位，有零地址、一地 址、二地址三种指令格式 2）采用扩展操作码技术，若二地址指令有 X 种，零地址有Y种，则一地址指令最多有几种？,解：操作码可变，则二地址、一地址和零地址的操作码
3、分别为4位、6位、6位，则二地址指令操作码每减少1种，可多构成26种一地址指令操作码, 一地址同理因此，一地址指令最多有(24-X)*26种;同理，设一地址指令有M种，零地址指令最多有(24-X)*26-M )*26=Y即 M= (24-X)*26-Y*2-6,7,2. 地址码,(1) 四地址,(2) 三地址,8 6 6 6 6,A1 第一操作数地址,A2 第二操作数地址,A3 结果的地址,A4 下一条指令地址,若 PC 代替 A4,8 8 8 8,4 次访存,4 次访存,寻址范围 26 = 64,寻址范围 28 = 256,若 A3 用 A1 或 A2 代替,7.1,8,(3) 二地址,8
4、12 12,或,4 次访存,若ACC 代替 A1（或A2）,若结果存于 ACC,(4) 一地址,(5) 零地址,8 24,无地址码,2 次访存,寻址范围 212 = 4 K,寻址范围 224 = 16 M,3次访存,7.1,9,二、指令字长,指令字长决定于,操作码的长度,指令字长 = 存储字长,2. 指令字长 可变,操作数地址的长度,操作数地址的个数,1. 指令字长 固定,按字节的倍数变化,7.1,10,小结,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 OP R1, R2, R3,二地址 OP R1, R
5、2,一地址 OP R1,指令执行阶段不访存,可缩短指令字长,7.1,11,7.2 操作数类型和操作种类,一、操作数类型,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,12,存储器中的数据存放（存储字长为 32 位）,7.2,13,三、操作类型,1. 数据传送,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 8086,MOVE,STO
6、RE,LOAD,MOVE,PUSH,POP,例如,MOVE,MOVE,7.2,ADD SUB MUL DIV INC DEC CMP NEG AAA AAS AAM AAD AND OR NOT XOR TEST,14,3. 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,逻辑移位,完成触发器,7.2,15,(3) 调用和返回,CALL SUB1,CALL SUB2,CALL SUB2,RETURN,RETURN
7、,7.2,16,IN AX, n,OUT DX, AL,OUT n, AX,OUT DX, 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 8086 INT TYPE 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,IN AL, DX,IN AX, DX,7.2,如,如,IN AL, n,OUT n, AL,17,7.3 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,18,7.3 寻 址 方 式,一、指令寻址,顺序,跳跃,由转移指令指出,19,二、数据寻址,形式地址,指令字中的地址
8、,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,7.3,20,2. 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,操作数的地址不易修改（必须修改A）,有效地址由形式地址直接给出,7.3,21,3. 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
9、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,7.3,22,4. 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,A1,EA,执行指令阶段 2 次访存,可扩大寻址范围,便于编制程序,寻址特征,A,一次间址,多次间址,操作数,操作数,多次访存,7.3,23,5. 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,7.3,24,EA = ( Ri ),6. 寄存器间接寻址,有效地址在寄存器中， 操作数在存储器中，执行阶段访存,寻址特征,便于
10、编制循环程序,有效地址在寄存器中,7.3,25,7. 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,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,7.3,26,(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,7.3,27,8. 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,I
11、X 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,7.3,28,9. 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,7.3,29,(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 = M,7.3,30,(2) 按字节寻址的相对寻址举例,JMP * + 8,设 当前指令地址 PC = 2000H,转移后的目的地址为 2008H,因为
12、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 = 06H,7.3,31,10. 堆栈寻址,(1) 堆栈的特点,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,+1,2000 H,1FFF H,2000 H,7.3,32,(2) 堆栈寻址举例,PUSH A 前,PUSH A 后,POP A 前,POP A 后,7.3,33,(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
13、 位,进栈,出栈,7.3,34,7.5 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）, RISC技术,35,二、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
14、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,7.5,36,三、CISC 的主要特征,系统指令 复杂庞大，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,7.5,37,四、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,7.5,
