1、第七章 指 令 系 统,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) 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,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,7.1,2. 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
2、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,(3) 二地址,8 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,7.1,二、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,小结,当用一些硬件资源代替指令字
3、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, R2,一地址 OP R1,指令执行阶段不访存,可缩短指令字长,7.1,7.2 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,存储器中的数据存放（存储字长为 32 位）,7.2,三、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
4、,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,STORE,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,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
5、位,完成触发器,7.2,(3) 调用和返回,CALL SUB1,CALL SUB2,CALL SUB2,RETURN,RETURN,7.2,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,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
6、,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,7.3,2. 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,7.3,3. 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
7、,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，可缩短指令字长,7.3,4. 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, ,转 子程序,转 子程序,间接寻址编程举例,(A) = 81,(A) = 202, 间址特征,7.3,JMP A,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
8、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,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,便于编制循环程序,有效地址在寄存器中,7.3,7. 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,便于程序搬家,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,(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
9、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,7.3,8. 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,7.3,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 + ( N -1 ),DIV # N,STA ANS,LDA # 0,LDX # 0,INX,CPX # N,BNE M,DIV # N,STA AN
10、S,共 N + 2 条指令,共 8 条指令,X 为变址寄存器,D 为形式地址,(X) 和 #N 比较,结果不为零则转,7.3,9. 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,(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,(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 取出 JMP * + 8 后 PC =
11、 2002H,二字节指令,故 JMP * + 8 指令 的第二字节为 2008H - 2002H = 6H,7.3,10. 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,(2) 堆栈寻址举例,PUSH A 前,PUSH A 后,POP A 前,POP A 后,7.3,(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,7.3,7.4 指令格式举例,一、设计指
12、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、操作码位数,寻址方式,寄存器个数,地址码位数、地址个数,寻址方式、是否采用扩展操作码,二、指令格式举例,1. PDP 8,指令字长固定 12 位,7.4,2. 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),扩展操作码技术,7.4,3. IBM 360,7.4,4. Intel 8086,(1) 指令字长,(2) 地址格式,1 6 个字节,MOV WORD PTR0204, 0138H 6
13、 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,7.4,7.5 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）,
14、RISC技术,二、RISC 的主要特征,选用使用频率较高的一些 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,只有 LOAD / STORE 指令访存,流水技术 一个时钟周期 内完成一条指令,组合逻辑 实现控制器,多个 通用 寄存器,采用 优化 的 编译 程序,7.5,计算机指令系统 典型例题,选择题,1、人们根据特定的需要预先为计算机编制的指令序列称为（ ） A 软件 B 文件 C 集合 D 程序 2、先计算后再访问内存的寻址方式是（ ）A 立即寻址 B 直接寻址 C 间接寻址 D 变址寻址 3、在相对寻址中，若指令地址码为X，则操作数的地址为（ ）A X B（PC）+X C X+
15、段基址 D 变址寄存器+X 4、单地址指令中为了完成两个数据的算术运算，除地址码指明的一个操作数外，另一个常采用（ ）A 堆栈寻址方式 B 立即寻址 C 隐含寻址 D间接寻址,答案：D,答案：D,答案：B,答案：C,5、指令系统中采用不同寻址方式的目的主要是（ ） A可直接访问外存 B 提供扩展操作码并降低指令译码难度 C 实现存储程序和程序控制 D 缩短指令长度，扩大寻址空间，提高编程灵活性 答案：D 6、关于二地址指令以下论述正确的是（ ） A二地址指令中，运算结果通常放在其中一个地址码所提供的地址中 B 二地址指令中，指令的地址码字段存放的一定是操作数 C 二地址指令中，指令的地址码字段
16、存放的一定是寄存器号 D 指令的地址码字段存放的一定是操作数地址,答案 A,7 堆栈常用于（ ） A 数据移位 B 保护程序现场 C 程序转移 D 输入输出 答案：B 8 执行中使用到堆栈的指令是（ ） A 移位指令 B 乘法指令 C子程序调用指令 D 串处理指令 答案：C 9 在堆栈中，保持不变的是（ ） A 栈顶 B 栈底 C 栈指针 D 栈中的数据 答案：B,10 下列指令中，（ ）不支持数值处理 A算术运算类指令 B移位操作类指令 C 字符串处理类指令 D 输入输出类指令 答案：C 11 下列指令中，（ ）用户不能使用的 A堆栈操作指令B位移操作指令C特权指令 D字符串处理指令 答案：
17、C 12 能改变程序执行顺序的是（ ） A数据传送类指令 B位移操作类指令 C输入输出类指令 D 转移类指令 答案：D,13在一地址指令格式中，下面论述正确的是（ ） A仅能有一个操作数，它由地址码提供 B 一定有两个操作数，另一个是隐含的 C 可能有一操作数，也可能有两个操作数 D如果有两个，另一个操作数是本身 答案：C 14操作数存放地址存放在寄存器的寻址方式是（ ） A相对寻址 B变址寄存器寻址 C寄存器寻址 D寄存器间接寻址 答案：D,填空题,1 对指令中的( )进行编码,以形成操作数在存储器中地址的方式称为( ). 答案:地址码; 操作数的寻址方式; 2 操作数的存储位置隐含在指令的
18、寻址方式称为( )寻址. 答案:立即 3 寄存器寻址方式中,指令的地址编码部分给出( ),而操作数在( ). 答案:寄存器号; 该寄存器 4 直接寻址方式中,直接给出( ),只需要( )一次就可以获得操作数. 答案:操作数的地址;访问内存,5 寄存器间接寻址方式中,给出的是( )所在的寄存器号. 答案:操作数地址 6 存储器间接寻址方式中,给出的是( )所在的存储器地址,cpu访问两次内存才能得到操作数 答案:操作数地址 7 变址寻址方式中,操作数的地址由( )和( )产生. 答案:变址寄存器中的内容;地址码中的地址 8相对寻址方式中操作数的地址由( )和( )产生. 答案:当前pc值;地址码
19、中给出的偏移量; 9从计算机指令系统设计的角度,可将计算机分为复杂指令系统(CISC)和( ) 答案:RISC,10数据传输指令用以实现( )与( )之间的数据传送. 答案:CPU寄存器; 主存; 11用于改变程序顺序执行的指令主要有( )和( )等. 答案:转移指令; 子程序调用指令 12指令系统是计算机的( )件语言系统,也称为( )语言. 答案:硬件; 机器语言,1执行指令时,指令在内存中的地址存放在指令寄存器中. 答案:错.执行指令时,指令在内存中的地址存放在程序计数器中. 2 没有设置乘除指令的计算机系统中,就不能实现乘除法运算. 答案:错.可通过加减移位运算实现乘除法运算. 3 程
20、序计数器PC用来指示从内存中取指令; 答案:对. 4 内存地址寄存器用来指示从内存中取数据. 答案:错.从内存中取数据和指令.,判断题,5计算机指令是指挥CPU进行操作的命令,指令通常由操作码和操作数地址码组成. 答案：对。 6、浮点运算指令对用于科学计算的计算机是很必要的。可以提高计算机运算速度。 答案：对。 7、不设置浮点运算指令的计算机，就不能用于科学计算。 答案：错。不设置浮点运算指令的计算机，仍用于科学计算，只是要增加编程量且速度不很快。 8、兼容机之间的指令系统是相同的，但硬件的实现方法可以不同。 答案：对。,9、处理大量输入输出数据数据的计算机，一定要设置十进制运算指令。 答案：
21、错。可以用二进制运算处理输入输出，然后编程将运算结果转为十进制。 10、一个系统中的不同型号计算机，保持软件向上兼容的特点。 答案：对。 11、在计算机的指令系统中，真正必需的指令数是不多的，其余的指令都是为了提高机器速度和便于编程而引入的。 答案：对。 12、RISC的主要目的是减少指令数，降低软、硬件开销。 答案：对。,13、扩展操作码是一种优化技术，它是操作码的长度岁地址码的减少而增加，不同地址的指令可以具有不同长度的操作码。 答案：对。 14、转移类指令能改变指令执行顺序，因此，执行这类指令时，PC和SP的值都将发生变化。 答案：错。SP的值不发生变化。 15、新设计的RISC，为了实
22、现其兼容性，是从原来CISC系统的指令系统中挑选出一部分简单指令实现的。 答案：错。选用使用频度高的简单指令，以及有用但不复杂的。 16 RISC没有乘、除指令和浮点运算指令。 答案：错。有这些指令。,简答题,1、简述立即寻址方式的特点？,答：立即寻址方式的特点是执行速度，取指令的同时也取出数据，不需要寻址计算和访问内存，但操作数是固定不变的，因此适合于访问常数。,2、简述基址寻址方式和变址寻址方式的主要区别？,答：基址寻址用于程序定位，一般由硬件或操作系统完成。而变址寻址是面向用户的，用于对一组数据进行访问等。,3、简述相对寻址的特点。,答：相对寻址方式中，操作数得地址是程序计数器PC的值加
23、上偏移量形成的。是一种特殊的变址寻址方式，偏移量用补码表示，可正可负。可用较短得地址码访问内存。,4、寄存器-寄存器型，寄存器-存储器型，存储器-存储器型三类指令中，那类指令执行的时间最长，那类指令执行的时间最短？为什么？,答：寄存器-寄存器型执行速度最快，存储器-存储器型执行最慢。因为前者操作数在寄存器中，后者操作数在存储器中，而访问一次存储器所需的时间一般比访问一次寄存器的时间要长。,5、指令和数据均存在内存中，CPU如何从空间和时间上区分他们是指令还是数据？,答：从时间上，取指令事件发生在“取指周期”，取数据发生在执行周期。从空间上，从内存读出指令流向控制器，从内存读出数据流流向运算器。
24、,6、什么是指令周期？什么是机器周期？什么是时钟周期？三者有什么关系？,答：指令周期是取出并执行一条指令的时间，指令周期常常用若干个CPU周期数来表示；CPU周期也称为机器周期；而一个CPU周期又包含若干个时钟周期（节拍/T).,7、一个完善的指令系统应包括哪几类指令？,答：数据传送指令、算术运算指令、逻辑运算指令、程序控制指令、输入输出指令、堆栈指令、字符串指令、特权指令等。,8、简述指令兼容的优缺点。,答：最主要优点是软件兼容。最主要缺点是指令字设计不尽合理，指令系统过于庞大。,9、某指令长度在14个字节内变化，CPU与存储器之间数据传送宽度为32位，每次取出1字（32位），请问如何知道该
25、字节包含多少条指令？,答：在设计指令系统时，一般在指令（1字节指令）或指令的第一个字节（多字节指令）中安排1至2位来区分是几字节指令。当安排1位时，用于区分是1字节指令或多字节指令；若安排2位，则有4种状态，可直接区分14字节指令。,10、简述RISC的主要优缺点。,答：优点是RISC技术简化了指令系统，以寄存器-寄存器方式工作，采用流水方式，减少了访存等。缺点是指令功能简单是的程序代码较长，占用了较多的存储器空间。,综合题,1、若某计算机数据线、地址线均是8bit，有一条相对寻址的无条件转移指令存于内存的20H单元中，指令给出的位移量D=00010101B，设该指令占用2个字节，试计算： （
26、1）取该指令时PC的内容。 （2) 该指令执行时PC的内容。,答： (1)取该指令时PC的内容为20H,（2）转移地址=PC+2+D=00100000+00000010+00010101=00110111B,2、假设（R)=1000，（1000）=2000，（2000）=3000，（PC）=4000，问在以下方式中，访问到的操作数的值是什么？,（1）寄存器寻址 R,DATA=(R )=1000,(2)寄存器间接寻址,DATA=(R) =(1000)=2000,(3)直接寻址 1000,DATA=（1000) =2000,(4)存储器间接寻址 （1000）,DATA=(1000)=(2000),
27、(5)相对寻址 -2000,EA=(PC )-2000=2000 DATA=(EA)=(2000)=3000,(6)立即数寻址 #2000,DATA=2000,3、某台计算机的指令系统中共有50条指令，试问： （1）若采用固定长度编码方式，其操作码的变码长度需要多少位？ （2）设该指令系统中有10条指令的使用概率为90%，其余指令为10%，若采用不等长编码方式，其操作码的平均长度为多少？ （3）若原指令系统采用固定长度编码，后继产品中需增加50条指令，试设计器指令操作码，并计算器平均长度。,解： （1）采用固定长度编码方式，其操作码的变码长度需要6位，即从000000110001,（2）采用不
28、等长编码方式，常用的指令用4位，编码表示，即从00001001，其余用7位编码，即从1010000-1110111。平均长度=4*90%+7*10%=4.3,(3)若原指令系统采用固定长度编码，后继产品中需增加50条指令，其操作码的变码长度需要6位，即从000000110001。新增指令采用8位编码，即从11001000-11111001,3、某指令系统字长16位,每个操作数的地址码长6位.设系统有双操作数指令,单操作数指令和无操作数指令3类.若单操作数指令有M条,无操作数指令有N条,问双操作数指令最多有多少条?,解：因指令总长度为16位,操作数地址为6位,则双操作数指令的操作码长度为(16-
29、62)=4位单操作数指令的操作码长度为(16-6)=10位零操作数指令的操作码长度为16位设双操作数指令最多有X条.则三类指令的操作码范围:双操作数指令的操作码范围:0000(X-1),单操作数指令的操作码范围:X000000 X(M-1)零操作数指令的操作码范围:XM000000 XM111111N=(24-X)26-M)26X=24-(N/26+M)/26,某台计算机字长16位，主存容量为64K，采用单字长单地址指令，共有64 条指令。请用四中寻址方式（直接、间接、变址、相对）设计指令格式。,64条指令占用操作码（OP）字段6位，寻址方式（X）4种，需2位，剩余8位为位移量（D）,X=00
30、 直接寻址 有效地址E=D（256单元） X=01 直接寻址 有效地址E=（D）（ 64K） X=10 直接寻址 有效地址E=D+（R） 64K） X=11 直接寻址 有效地址E=D+（PC）（ 64K）,15 10 9 8 7 0,设有一台计算机,其指令长度为16位,指令格式如下:,15 11 10 8 7 6 5 0,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D一起决定元操作数,规定如下: MM=00,为立即寻址,D为立即数; MM=01,为相对寻址,D为位移量; MM=10为变址寻址,D 为位移量;,假定要执行的指令为加法指令,存放在00
31、1000单元中,D的值为01,该指令执行前存储器和有关寄存器的存储情况如下入所示,其中地址码和数据时八进制表示.,001000,001001,001002,001003,002001,002002,001002,000015,变址寄存器,R0,在以下几种情况下,给出该指令执行后R0和PC内容为几? 若M=00M,(R0)=? 若M=01M,(R0)=? 若M=10M,(R0)=? PC=? 解:从001000单元中的108位可知,指令使用R0寄存器,指令为加法指令. (1) M=00时,为立即寻址,D为立即数01 运算结果=(R0)+D=000015+01=000016,(R0)=000016
32、,(2) M=01时,为相对寻址,D为位移量,操作数地址=(PC)+D=001001+01=001002 运算结果=(R0)+(001002)=000015+001150=001165,(R0)=001165 (3) (3) M=10时,为变址寻址,D为位移量,操作数地址=(变址寄存器)+D=001002+01=001003 运算结果=(R0)+(001003)=000015+001150=001265,(R0)=001265 (4) 无论寻址方式如何,指令执行后,PC的内容自动加1,指向下一单元的指令.所以(PC)=001001,某计算机字长16位,直接寻址空间128字,变址时的位移量为-6
33、4+63,16个通用寄存器都可以作为变址寄存器.设计一套指令系统,满足下列寻址类型的要求: (1). 直接寻址的二地址指令3条. (2). 变址寻址的一地址指令6条. (3). 寄存器寻址的二地址指令8条. (4). 直接寻址的一地址指令12条. (5). 零地址指令32条.,2位 7位 7位,操作码,00,01,10,(2). 变址寻址的一地址指令6条,故操作码需要2+3位;而变址时的位移量为-64+63,其地址码需7位;由于16个通用寄存器都可以作为变址寄存器,寄存器需4位.指令长度为16位.,5位 4位 7位,操作码,11000,11001,.,6条,共3条,解：(1). 直接寻址的二地
34、址指令3条,故操作码需要2位;而直接寻址空间128字,故地址码需log227=7位,指令长度为16位.,(3).寄存器寻址的二地址指令8条,操作码需5+3位;因有16个通用寄存器,寄存器需4位,故指令字长为16位.,8位 4位 4位,操作码,11110000,11110111,(4).直接寻址的一地址指令12条,操作码需5+4位;直接寻址空间128字,地址码需7位;指令字长为16位.,9位 7位,操作码,111110000,111111011,(5).零地址指令32条, 需要5位;但上述指令均为16位,所以,也将此指令的字长增至16位.,16位,操作码,1111111000000000,1111111000011111,
