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1、第5章指令系统5.1 指令系统的发展指令系统的发展5.2 指令格式指令格式5.3 数据表示数据表示5.4寻址方式（编址方式）寻址方式（编址方式）5.5 指令类型指令类型5.6 指令系统的兼容性指令系统的兼容性(略略)5.7 RISC和和CISC(略略)5.8 指令系统举例指令系统举例(略略)5.9 机器语言、汇编语言和高级语言机器语言、汇编语言和高级语言(略略)http:/ 指令系统的发展指令系统的发展计 算 机 系 统: 硬 件 (hardware)+软 件(software)硬件硬件: 中央处理机(CPU)、存储器、外部设备 软件软件: 程序(最终转换成一系列机器指令后在计算机上执行)指令
2、系统的定义指令系统的定义: :一台计算机能直接识别并执行的机器指 令的集合。指令系统的作用:指令系统是硬件设计的任务书,是软件设计的基础,与计算机的性能有密切关系。http:/ 20世纪世纪50年代和年代和60年代早期年代早期:指指令令系系统统一一般般只只有有定定点点加加减减、逻逻辑辑运运算算、数数据据传传送送和和转转移移等十几至几十条等十几至几十条最最基本的指令，基本的指令，而且而且寻址方式简单寻址方式简单。2.到到60年代中、后期年代中、后期:除除了了具具有有以以上上最最基基本本的的指指令令以以外外，还还设设置置了了乘乘除除法法运运算算指指令令、浮浮点点运运算算指指令令、十十进进制制运运算
3、算指指令令以以及及字字符符串串处处理理指指令等，指令数多达一、二百条，寻址方式也趋于多样化令等，指令数多达一、二百条，寻址方式也趋于多样化。3.60年代出现了系列年代出现了系列(series)计算机。计算机。原因:为了继承已有的软件，减少软件的开发费用.系列计算机系列计算机：是指基本指令系统相同，基本体系结构相同的一系列计算机。如IBM370系列，VAX11系列，IBMPC(XTAT286386486Pentium)微机系列等。优点:在旧机种上运行各种软件可以不加任何修改地在新机种上运行。（向下兼容向下兼容）http:/ instruction set computer RISC: reduc
4、ed instruction set computerhttp:/ 指令格式指令格式计算机的计算机的指令格式指令格式与与机器的字长机器的字长、存储器的容量存储器的容量及及指令的功能指令的功能都都有很大的关系有很大的关系。设计指令格式的要求设计指令格式的要求: (1)使指令能给出足够的信息(2)其长度又尽可能地与机器的字长相匹配，以便节省存储空间，缩短取指时间，提高机器的性能。http:/ .地址码结构地址码结构计算机执行一条指令所需要的全部信息都必须包含在指令中，对于一般的指令来说，除去操作码(OP)之外，指令还应包含以下信息：(1)第一操作数地址，用A1表示(2)第二操作数地址，用A2表示(
5、3)操作结果存放地址，用A3表示(4)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给出，称为显地址，也可依照某种事先的约定，用隐含方式给出，称为隐地址。下面介绍几种指令格式。http:/ A1A2A3http:/ 5. 零地址指令零地址指令格式：无操作数：如空操作NOP、停机指令HLT默认操作数：如读取标志指令LAHF，将标志寄存器FLAG的低8位送到AH寄存器中。 OPhttp:/ 而两地址、三地址和多地址指令具有功能强，而两地址、三地址和多地址指令具有功能强，便于编程等特点，多为字长较长的大、中型机所采便于编程等特点，多为字长较长的大、中型机所采用。用。指令和数据的联系和区别
6、:联系:都是以二进制码的形式存储的。区别:指令的地址是由程序计数器(PC)规定的，而数据的地址是由指令规定的。在程序执行过程中，要避免修改指令,但可以修改数据。http:/ :便于控制便于控制变长指令变长指令: :合理利用存储空间合理利用存储空间二二. .操作码格式操作码格式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。为了能表示整个指令系统的全部指令，指令的操作码字段应当具有足够的位数。假定：指令系统有m条指令，指令的操作码字段的位数有N位，则m2N,即Nlog2m.我们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以下两种形式。5.2
7、.2 指令操作码的扩展技术指令操作码的扩展技术http:/ 各指令操作码的位置、位数不固定，根据需要变化（即操作码的长度可变，且分散得放在指令字的不同字段中） 。 特点:这种格式能够有效地压缩程序中操作码的平均长度，在字长较短的微型机上广泛采用。 如Z80、Intel8086Pentium等，操作码的长度都是可变的。http:/ .（方法一）（方法一） 指令字长指令字长1616位，可含有位，可含有3 3、2 2、1 1或或0 0个地址，每个地址占个地址，每个地址占4 4位。（见教材位。（见教材P P130131130131）操作码操作码 地址码地址码 15 12 11 8 7 4 3 0000
8、0 0000 X X Y ZY Z 1110 1110 X Y ZX Y Z.1111111 1 0000 0000 Y Y Z Z 1111111 1 1110 1110 Y Y Z Z.三地址指令15条二地址指令15条11111111 1111111 1 0000 0000 Z Z 1111 1111111 1111 1 1110 1110 Z Z.一地址指令15条11111111 11111111 1111111 1 0000 0000 1111 11111111 1111 1111111 1 1111 1111.零地址指令16条可表示可表示61条指令条指令http:/ . （方法二）指
9、令字长（方法二）指令字长1616位，可含有位，可含有3 3、2 2、1 1或或0 0个地址，每个地址占个地址，每个地址占4 4位。（见教材位。（见教材P P130131130131）操作码操作码 地址码地址码 15 12 11 8 7 4 3 00000 0000 X X Y ZY Z 1110 1110 X Y ZX Y Z.1111111 1 0000 0000 Y Y Z Z 1111111 1 1101 1101 Y Y Z Z.三地址指令15条二地址指令14条11111111 11111010 0000 0000 Z Z 1111 111111 111111 1110 1110 Z
10、Z.一地址指令31条11111111 11111111 1111111 1 0000 0000 1111 11111111 1111 1111111 1 1111 1111.零地址指令16条可表示可表示76条指令条指令http:/ 可变长度的指令系统的设计，到底使用何种可变长度的指令系统的设计，到底使用何种扩展方法有扩展方法有一个重要的原则一个重要的原则: 就是使用就是使用频度频度(即指令在程序中的出现概率即指令在程序中的出现概率)高高的指令应分配的指令应分配短短的操作码；使用频度的操作码；使用频度低低的指令的指令相应地分配较相应地分配较长长的操作码。（的操作码。（霍夫曼编码法霍夫曼编码法）
11、作用：作用：有效地缩短操作码在程序中的平有效地缩短操作码在程序中的平均长度，节省存储器空间，缩短了经常使均长度，节省存储器空间，缩短了经常使用的指令的译码时间，因而可以提高程序用的指令的译码时间，因而可以提高程序的运行速度。的运行速度。http:/ 指令长度与字长的关系指令长度与字长的关系字长：字长：指计算机能直接处理的二进制数据指计算机能直接处理的二进制数据的位数的位数，它是计算机的一个重要技术指标。，它是计算机的一个重要技术指标。作用作用:字长决定了计算机的运算精度，字长字长决定了计算机的运算精度，字长越长，计算机的运算精度越高。越长，计算机的运算精度越高。一般机器的字长都是字节长度一般机
12、器的字长都是字节长度(即即8位位)的的l，2，4或或8倍数，也就是倍数，也就是8，16，32或或64位。如位。如80年代微年代微型机的字长多为型机的字长多为8位，位，16位和位和32位，大中型机的字位，大中型机的字长多为长多为32位和位和64位，因此，一个字中可以存储位，因此，一个字中可以存储1，2，4或或8个字符。随着集成度的提高，机器字长也个字符。随着集成度的提高，机器字长也在增长，在增长，16位微机已趋于淘汰。位微机已趋于淘汰。http:/ endian）和小数端（）和小数端（little endian）两种存储方式。将最低字节最低字节存储在最小地址位置最小地址位置的存储方式称为小数端小
13、数端方式。方式。将最低字节最低字节存储在最大地址位置最大地址位置的存储方式称为大数端大数端方式。方式。许多新型计算机系统结构都同时支持大数端和小数端数据存储方式。http:/ 为便于硬件实现，一般要求多字节数据对准边界，为便于硬件实现，一般要求多字节数据对准边界，如如P132图图52(a)所示。所示。当所存数据不能满足此要求当所存数据不能满足此要求时，则填充一个至多个空白字节。时，则填充一个至多个空白字节。 也有的计算机不要求对准边界，也有的计算机不要求对准边界，但可能增加访问但可能增加访问存储器次数，而且还有可能要对高低字节的位置进存储器次数，而且还有可能要对高低字节的位置进行调整。行调整。
14、http:/ 寻址方式（寻址方式（P133) 存放操作数的部件存放操作数的部件:ALU的某个寄存器、存储器、指令的某个寄存器、存储器、指令 程序的指令代码程序的指令代码:一般在存储器中一般在存储器中 寻址方式：寻址方式：根据指令中给出的地址码字段寻找真根据指令中给出的地址码字段寻找真实的操作数以及下一条要执行的指令地址的方式。实的操作数以及下一条要执行的指令地址的方式。http:/ AX，2000寻址方式字段A有效地址http:/ AX，BX优优点点:地地址址码码短短，从从寄寄存存器器中中存存取取数数据据比比从从存存储储器器中中存存取取快快得多得多.寄寄存存器器寻寻址址方方式式可可以以缩缩短短
15、指指令令长长度度、节节省省存存储储空空间间，提提高高指令的执行速度，在计算机中得到广泛应用。指令的执行速度，在计算机中得到广泛应用。OPR指令操作数寄存器Rhttp:/ 指令地址码部分给出的地址指令地址码部分给出的地址A和指定的变址寄存器和指定的变址寄存器X的内容通过加法器的内容通过加法器相加，所得的相加，所得的和作为地址和作为地址从存储器中从存储器中读出所需的操作数。这是几乎所有计算机都采用的一种读出所需的操作数。这是几乎所有计算机都采用的一种寻址方式，当计算机中还有基址寄存器时，那么在计算寻址方式，当计算机中还有基址寄存器时，那么在计算有效地址时还要加上基址寄存器的内容。有效地址时还要加上
16、基址寄存器的内容。 例：例：MOV AX，tableSIhttp:/ 根据指令的地址码所取出的内容是操作数的地址或指令的地址，这种方式称为间接寻址或间址。根据地址码取出的是寄存器地址还是存储器地址，间接寻址又可分为寄存器间接寻址和存储器间接寻址两种方式。例：MOVAX，BX间接寻址有一次间址和多次间址两种情况。 对于存储器一次间址情况，需访问两次存储器才能取得数据，第一次从存储器读出操作数地址，第二次读出操作数。http:/ AX，BX int *p;(一级间址一级间址) int *p;（二级间址）（二级间址）http:/ 直接寻址：直接寻址：JMP near ptr A1 间接寻址：间接寻址
17、：JMP dword ptr 2000http:/ 均能正确运行，对浮动程序很适用。均能正确运行，对浮动程序很适用。(2)位位移移量量可可正正、可可负负，通通常常用用补补码码表表示示。如如果果位位移移量量为为n位位，则这种方式的寻址范围在则这种方式的寻址范围在(PC)-2(n-1)到到(PC)+2(n-1) -1之间。之间。计算机的程序和数据一般是分开存放的，程序区在程序执行过程中不允许修改。在在程程序序与与数数据据分分区区存存放放的的情情况况下下，不不用用相相对对寻址方式来确定操作数地址寻址方式来确定操作数地址。http:/ PC的内容为的内容为1000，指令的位移量（相对距离）为，指令的位
18、移量（相对距离）为35。故其。故其相对地址为相对地址为1035。这个地址是不固定的，随。这个地址是不固定的，随PC的值变化而变的值变化而变化，并且相对地差一个固定值。因此，无论程序装入存储器化，并且相对地差一个固定值。因此，无论程序装入存储器的任何区域，只要这个差值不变，程序均能正确运行。由于的任何区域，只要这个差值不变，程序均能正确运行。由于程序在内存空间里是浮动的，又称程序在内存空间里是浮动的，又称浮动寻址浮动寻址。例如：例如：OPX735操作码寻址特征位移量DPC:相对距离相对距离 =35内存内存OP X735300010351000http:/ 所需的操作数由指令的地址码部分直接给出，
19、就称为立即数(或直接数)寻址方式。例: 其汇编符号记为：其汇编符号记为：MOV Ri，#1536这种方式的特点是取指时，操作码和一个操作数同时被取出，不必再次访问存储器，提高了指令的执行速度，但不能修改，通常用于寄存器或存储单元赋初值或提供一个常数等。 操作码操作码 寄存器号寄存器号 立即数立即数 Ri MOV Ri 1536 1536http:/ 8.堆栈寻址：堆栈寻址： 堆堆栈栈操操作作使使用用一一种种特特殊殊的的数数据据传传送送指指令令，即即压压入入指指令令（PUSH）和弹出指令（）和弹出指令（POP）。）。 若采用若采用“向上生成向上生成”的堆栈，其操作过程如下：的堆栈，其操作过程如下
20、： 压压入入指指令令：PUSH OPR，是是把把OPR（设设长长度度为为一一个字节）个字节） 压入堆栈。其操作是：压入堆栈。其操作是： （SP）1 SP ； OPR （SP）。 弹出指令弹出指令：POP OPR，是从堆栈弹出一个数据（长，是从堆栈弹出一个数据（长度为一个字节）送度为一个字节）送OPR，操作是：，操作是： （SP）OPR；（SP）+1 SP 。http:/ 以上这些寻址方式，在计算机中可以组合使用。以上这些寻址方式，在计算机中可以组合使用。例例如如在在一一条条指指令令中中可可以以同同时时实实现现基基址址寻寻址址与与变变址址寻寻址址，其有效地址为：其有效地址为： 基址寄存器内容基址
21、寄存器内容+变址寄存器内容变址寄存器内容+指令地址码指令地址码A假如用户用高级语言编程，根本不用考虑寻址假如用户用高级语言编程，根本不用考虑寻址方式，因为这是编译程序的事。方式，因为这是编译程序的事。但若用汇编语言编程，则应对它有确切的了解，但若用汇编语言编程，则应对它有确切的了解，才能编出正确而又高效的程序。才能编出正确而又高效的程序。此时应认真阅读指此时应认真阅读指令系统的说明书，因为不同计算机采用的寻址方式令系统的说明书，因为不同计算机采用的寻址方式是不同的，即使是同一种寻址方式，在不同的计算是不同的，即使是同一种寻址方式，在不同的计算机中也有不同的表达方式或含义。机中也有不同的表达方式
22、或含义。http:/ 指令类型指令类型(P137)指令系统决定了计算机的基本功能，因此指令系指令系统决定了计算机的基本功能，因此指令系统的设计是计算机系统设计中的一个核心问题。统的设计是计算机系统设计中的一个核心问题。5.5.1 指令的分类及功能指令的分类及功能 一台计算机的指令系统通常有几十条至几百条指令，一台计算机的指令系统通常有几十条至几百条指令，按其所完成的功能可分为：按其所完成的功能可分为：算术逻辑运算指令、算术逻辑运算指令、 移位操作指令、浮点运算指令、十进制运算指令、移位操作指令、浮点运算指令、十进制运算指令、 字符串处理指令、向量运算指令、数据传送指令、字符串处理指令、向量运算
23、指令、数据传送指令、 转移指令、堆栈操作指令、输入输出指令、特权转移指令、堆栈操作指令、输入输出指令、特权指令等。指令等。 下面分别说明各类指令的功能。下面分别说明各类指令的功能。http:/ ）：）：+、-、*、/ADD、ADC、SUB、SBB、MUL、IMUL、DIV、IDIV 例例:ADD AX,BX (2)逻辑逻辑：与、或、非与、或、非(求反求反)、异或、异或(按位加按位加)等有些计算机等有些计算机还设置有还设置有位操作位操作指令，如位测试指令，如位测试(测试指定位的值测试指定位的值)、位、位清除清除(把指定位清零把指定位清零)、位求反、位求反(取某位的反值取某位的反值)指令等。指令等
24、。AND、OR、NOT、XOR、BIT、CLI等等例如：例如： AND AX,BX http:/ 早期的计算机主要用于科学计算和工业控制，指令系统的设置侧重于数值运算，只有少数大型机才有非数值处理指令。而随着计算机的不断发展，应用领域不断扩大，计算机更多地应用于信息管理、数据处理、办公室自动化等领域，这就需要有很强的非数值处理能力。因此，越来越重视非数值指令的设置，甚至像Intel8086微处理器都配置了这种指令，使它能够直接用硬件支持非数值处理。一般包括字符串传送、字符串比较、字符串查询、字符串转换等指令。http:/ 这这类类指指令令用用以以控控制制程程序序流流的的转转移移。在在大大多多数
25、数情情况况下下，计计算算机机是是按按顺顺序序方方式式执执行行程程序序的的，但但是是也也经经常常会会遇遇到到离离开开原原来来的的顺顺序序转转移移到到另另一一段段程程序序或循环执行某段程序的情况。或循环执行某段程序的情况。 按按转转移移的的性性质质，转转移移指指令令分分为为无无条条件件转转移移、条件转移、过程调用与返回、陷阱条件转移、过程调用与返回、陷阱(trap)等几种。等几种。http:/ in last out，简称，简称FILO)存储区存储区，第一个送入堆栈第一个送入堆栈中的数据存放在栈底栈底，最近送入堆最近送入堆栈栈中的数据存放在栈顶栈顶。栈底栈底是固定固定不变的，而栈顶却是随着数据的入
26、栈和出栈在不断变化。为了表示栈顶的位置，有一个寄存器或存储器单元用于指出栈顶的地址，这个寄存器或存储器单元就称为堆栈指针(stackpointer，简称SP)。任何堆栈操作只能在栈顶进行。http:/ AXPUSH AXsppushaxSpALAH高地址低地址进栈方向(sp) (SP)-2(sp)+1,(sp)(AX)http:/ 、OUT 计算机所处理的一切原始数据和所执行的程序计算机所处理的一切原始数据和所执行的程序(除了固除了固化在化在ROM中的以外中的以外)均来自外部设备的输入，处理结均来自外部设备的输入，处理结果需通过外部设备输出。果需通过外部设备输出。输入输出指令的一般格式如下：输
27、入输出指令的一般格式如下：操作码寄存器名外部设备中的寄存器地外部设备中的寄存器地址或设备码，其长度一般为址或设备码，其长度一般为816位，位，可以表示可以表示25664K个设备寄存器个设备寄存器http:/ 某些指令使用不当会破坏系统或其他用户信息，因此为了安全起见，这类指令只只能能用用于于操操作作系系统统或或其其他他系系统统软软件件，而不提供给用户使用，称为特权指令。而不提供给用户使用，称为特权指令。一般来说，在单用户、单任务的计算机中不一定需要特权指令，而在多用户、多任务的计算机系统中，特权指令却是必不可少的。它主主要要用用于于系系统统资资源源的的分分配配和和管管理理，包包括括改改变变系系
28、统统的的工工作作方方式式、检检测测用用户户的的访访问问权权限限、修修改改虚虚拟拟存储器管理的段表、页表和完成任务的创建和切换等。存储器管理的段表、页表和完成任务的创建和切换等。在某些多用户的计算机系统中，为了统一管理所有的外部设备，输入输出指令也作为特权指令，不允许用户直接使用。需输入输出时，可通过系统调用，由操作系统来完成。http:/ 双字长运算双字长运算(子程序举例子程序举例)有时候，需对双字长操作数进行运算，而机器本身并没有双字长指令，这样就需要通过子程序予以实现。1双字长加法运算双字长加法运算假设在寄存器R1，R2和R3，R4分别存放两个双字长操作数，其中R1，R3为高位。加法运算可
29、分为两种情况讨论：(1)假设机器设置有ADD(加法指令)和ADC(加进位的加法指令)，则执行下列两条指令后在R3、R4中得到运算结果。指指 令令 操操 作作 说说 明明 K：ADD R2，R4 ;低位相加，R4(R3)+(R4)，并根据运算结果置进位位C K+1：ADC R1，R3 ；高位相加，并加进位位C，R3(R1)+(R3)+Chttp:/ 令令 操操 作作 说说 明明 K：ADD R2,R4;低位相加,R4(R2)+(R4)，并根据运算结果置进位位C K+1：BCC K+3；如C=0，程序转移到K+3，如C=1，顺序执行下一条指令K+2：ADD #1，R1 ; R1(R1)+1K+3：
30、ADD R1,R3;高位相加，R3(R1)+(R3) 在R3、R4中得到运算结果。http:/ 低位低位 0 0 l 0 1 1 0 0 +) 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 0 1 0 进位进位 在上例中低位向高位产生进位信号。但在计算机中对低位进行减法运算时因低位够减，所以不产生借位，即C0。高位部分实际上相当于补码相减。http:/ 1110，则，则(-Y)补补=11100010， (X-Y)补补=X+(-Y)补补=00101100+11100010 =00001110。 高位高位 低位低位 0 0 l 0 1 1 0 0 +) 1 1 1 0 0 1 1 0 0 0
31、 0 0 1 1 1 0 在在上上例例中中，低低位位无无进进位位信信号号，但但此此时时低低位位不不够够减减，向向高高位位借借位位，所所以以C=1。高高位位部部分分相相当当于于反反码相减。码相减。http:/ (1)低位相减：若不够减，置C1;够减，置C0。(2)高位相减：若上次运算后，C=0，减数取补码;C=1，减数取反码。一般机器中设置有按补码运算的减法指令。 假如机器没有设置减反码指令，则程序可安排如下：假如机器没有设置减反码指令，则程序可安排如下： 指指 令令 操操 作作 说说 明明 K： SUB R2，R4 ; R4(R2)-(R4)，并根据运算结果置借位C K+1：BCC K+3;
32、若若C=0，转移到，转移到K+3 K+2：ADD #1，R3 ；R3(R3)+1 K+3： SUB R1，R3 ；R3(R1)-(R3) 在在R3、R4中得到两数之差。中得到两数之差。http:/ 某指令系统指令长某指令系统指令长16位，每个操作数的地址码位，每个操作数的地址码长长6位，指令分为无操作数、单操作数和双操作位，指令分为无操作数、单操作数和双操作数三类。若双操作数指令有数三类。若双操作数指令有K条，无操作数指令条，无操作数指令有有L条，问单操作数指令最多可能有多少条条，问单操作数指令最多可能有多少条?2 基址寄存器的内容为基址寄存器的内容为2000H(H表示十六进制表示十六进制)，
33、变址寄存器内容为变址寄存器内容为03A0H，指令的地址码部分是，指令的地址码部分是3FH，当前正在执行的指令所在地址为，当前正在执行的指令所在地址为2B00H，请求出变址编址请求出变址编址(考虑基址考虑基址)和相对编址两种情况和相对编址两种情况的访存有效地址的访存有效地址(即实际地址即实际地址)。http:/ 接上题接上题(1) 设变址编址用于取数指令，相对编址用于转移指令，设变址编址用于取数指令，相对编址用于转移指令，存储器内存放的内容如下：存储器内存放的内容如下： 地址地址内容内容003FH 2300H2000H 2400H203FH 2500H 233FH 2600H23A0H2700H
34、23DFH2800H2B00H 063FH请写出从存储器中所取的数据以及转移地址。请写出从存储器中所取的数据以及转移地址。(2) 若采取直接编址，请写出从存储器取出的数据。若采取直接编址，请写出从存储器取出的数据。http:/ 在下面有关寻址方式的叙述中，选择正确答案在下面有关寻址方式的叙述中，选择正确答案填入填入( )内。内。根据操作数所在位置，指出其寻址方式：操作数根据操作数所在位置，指出其寻址方式：操作数在寄存器中，为在寄存器中，为(A)寻址方式；操作数地址在寄寻址方式；操作数地址在寄存器中称为存器中称为(B)寻址方式；操作数在指令中，称寻址方式；操作数在指令中，称为为(C)寻址方式；操作数地址寻址方式；操作数地址(主存主存)在指令中，在指令中，为为(D)寻址方式。操作数的地址，为某一寄存器寻址方式。操作数的地址，为某一寄存器中的内容与位移量之和则可以是中的内容与位移量之和则可以是(E)、(F)、(G)寻址方式。寻址方式。供选择的答案：供选择的答案：A、B、C、D、E、F、G： 直接直接 寄存器寄存器 寄存器间接寄存器间接 基址基址 变址变址 相对相对 堆栈堆栈 立即数立即数http:/
