《计算机组成原理》第5章指令系统.ppt

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1、http:/ 指令系统（时间：3次课，6学时）http:/ 指令系统本本章章讲讲述述计计算算机机指指令令功功能能、指指令令中中包包含含的的信信息息、指指令令的的一一般般格格式式、被被指指令令处处理理的的数数据据如如何何存存储储在在计计算算机机中中、指指令令如如何何寻寻找找被被处处理理的的数数据据、指指令令分分类类、指指令令系系统统的的兼兼容容性性等等问问题题，并并列列举举几几种种类类型型的的计计算算机机指指令令系系统统，由由此此可可以以较较为为深深刻刻地地理理解解计计算算机机指指令和指令系统的意义。令和指令系统的意义。http:/ 指令系统n5.1计算机指令概念计算机指令概念n5.2指令格式指

2、令格式n5.3数据的表示和存储数据的表示和存储n5.4寻址方式寻址方式n5.5指令类型指令类型n5.6指令系统举例指令系统举例n5.7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http:/ CODE2.一地址指令一地址指令OPCODEA3.两地址指令两地址指令4.三地址指令三地址指令http:/ 位，则给出的位，则给出的n 位直接地址可以位直接地址可以寻址寻址2n字节。这对于字长较短字节。这对于字长较短(8位或位或16位位)的微型的微型机来说，远远满足不了实际需要。扩大寻址能力的机来说，远远满足不了实际需要。扩大寻址能力的方法，一是通过增加机器字长来增加地址码的长度；方法，一是通

3、过增加机器字长来增加地址码的长度；二是采用地址扩展技术，把存储空间分成若干个段，二是采用地址扩展技术，把存储空间分成若干个段，用基地址加位移量的方法来增加地址码的长度。用基地址加位移量的方法来增加地址码的长度。http:/ 指 令 类 型一一台台计计算算机机的的指指令令系系统统通通常常有有几几十十条条至至几几百百条条指指令令，按按其其所所完完成成的的功功能能可可分分为为算算术术逻逻辑辑运运算算指指令令、移移位位操操作作指指令令、浮浮点点运运算算指指令令、十十进进制制运运算算指指令令、字字符符串串处处理理指指令令、向向量量运运算算指指令令、数数据据传传送送指指令令、转转移移类类指指令令、堆堆栈栈

4、操操作作指指令令、输输入入/输输出出指指令令、特权指令。本节分别说明各类指令的功能。特权指令。本节分别说明各类指令的功能。http:/ 指 令 类 型1.算术逻辑运算指令算术逻辑运算指令一般计算机都有算术逻辑运算指令。通常计算机一般计算机都有算术逻辑运算指令。通常计算机具有对两个数进行与、或、非具有对两个数进行与、或、非(求反求反)、异或、异或(按位加按位加)等操作的逻辑运算指令。有些计算机还设置有位操等操作的逻辑运算指令。有些计算机还设置有位操作指令，如位测试作指令，如位测试(测试指定位的值测试指定位的值)、位清除、位清除(把指把指定位清零定位清零)、位求反、位求反(取某位的反值取某位的反值

5、)指令等。指令等。2.移位操作指令移位操作指令移位操作指令分为算术移位、逻辑移位和循环移移位操作指令分为算术移位、逻辑移位和循环移位位3种，可以将操作数左移或右移若干位，如图种，可以将操作数左移或右移若干位，如图5-9所示。所示。http:/ 指 令 类 型3.浮点运算指令浮点运算指令高级语言中的实数高级语言中的实数(Real)经常是先转换成浮点数经常是先转换成浮点数的形式再进行处理。某些机器没有设置浮点运算指的形式再进行处理。某些机器没有设置浮点运算指令而用子程序实现，其速度较低。因此主要用于科令而用子程序实现，其速度较低。因此主要用于科学计算的计算机应该设置浮点运算指令，一般能对学计算的计

6、算机应该设置浮点运算指令，一般能对单精度单精度(32位位)、双精度、双精度(64位位)数据进行处理。数据进行处理。4.十进制运算指令十进制运算指令在人机交互作用时，输入在人机交互作用时，输入/输出的数据都是以十进输出的数据都是以十进制形式表示的。在某些数据处理系统中输入制形式表示的。在某些数据处理系统中输入/输出输出的数据很多，但对数据本身的处理却很简单。在不的数据很多，但对数据本身的处理却很简单。在不具有十进制运算指令的计算机中，首先将十进制数具有十进制运算指令的计算机中，首先将十进制数转换成二进制数，再在机器内运算；而后又转换成转换成二进制数，再在机器内运算；而后又转换成十进制数据输出。在

7、输入十进制数据输出。在输入/输出频繁的计算机系统输出频繁的计算机系统中，设置十进制运算指令能提高数据处理的速度。中，设置十进制运算指令能提高数据处理的速度。http:/ 指 令 类 型5.字符串处理指令字符串处理指令字符串处理指令是一种非数值数据的处理指令，字符串处理指令是一种非数值数据的处理指令，一般包括字符串传送、字符串比较、字符串查询、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。其中，字符串传送指令所完字符串转换等指令。其中，字符串传送指令所完成的操作是将数据块从主存储器的某区域传送到成的操作是将数据块从主存储器的某区域传送到另一区域；字符串比较指令所完成的操作是将一另

8、一区域；字符串比较指令所完成的操作是将一个字符串与另一个字符串逐个字符进行比较，以个字符串与另一个字符串逐个字符进行比较，以确定其是否相等；字符串查询是查找在字符串中确定其是否相等；字符串查询是查找在字符串中是否含有另一指定的子串或字符；字符串转换是是否含有另一指定的子串或字符；字符串转换是指将一种数据表达形式转换成另一种表达形式，指将一种数据表达形式转换成另一种表达形式，例如从例如从ASCII码转换成码转换成EBCDIC码码(扩充的二扩充的二-十进十进制交换码制交换码)。这种指令在需对大量字符串进行各种。这种指令在需对大量字符串进行各种处理的文字编辑和排版方面非常有用。处理的文字编辑和排版方

9、面非常有用。http:/ 指 令 类 型6.数据传送指令数据传送指令数据传递指令用以实现寄存器与寄存器、寄存器数据传递指令用以实现寄存器与寄存器、寄存器与存储器单元、存储器单元与存储器单元之间的数与存储器单元、存储器单元与存储器单元之间的数据传送。对于存储器来讲，数据传送包括了对数据据传送。对于存储器来讲，数据传送包括了对数据的读的读(相当于取数指令相当于取数指令)或写或写(相当于存数指令相当于存数指令)操作。操作。数据传送时，数据从源地址传送到目的地址，而源数据传送时，数据从源地址传送到目的地址，而源地址中的数据保持不变，因此实际上是数据复制。地址中的数据保持不变，因此实际上是数据复制。7.

10、转移类指令转移类指令转移类指令用以控制程序流的转移。在大多数情转移类指令用以控制程序流的转移。在大多数情况下，计算机是按顺序方式执行程序的，但是也经况下，计算机是按顺序方式执行程序的，但是也经常会遇到离开原来的顺序转移到另一段程序或循环常会遇到离开原来的顺序转移到另一段程序或循环执行某段程序的情况。执行某段程序的情况。http:/ 指 令 类 型按转移的性质，转移指令分为无条件转移、条件按转移的性质，转移指令分为无条件转移、条件转移、过程调用与返回、陷阱转移、过程调用与返回、陷阱(Trap)等几种。等几种。1)无条件转移与条件转移无条件转移与条件转移2)调用指令与返回指令调用指令与返回指令3)

11、陷阱与陷阱指令陷阱与陷阱指令8.堆栈及堆栈操作指令堆栈及堆栈操作指令堆栈堆栈(Stack)是由若干个连续存储单元组成的先进后是由若干个连续存储单元组成的先进后出出(FILO)存储区，第一个送入堆栈中的数据存放在存储区，第一个送入堆栈中的数据存放在栈底，最近送入堆栈中的数据存放在栈顶。栈底是栈底，最近送入堆栈中的数据存放在栈顶。栈底是固定不变的，而栈顶却是随着数据的入栈和出栈在固定不变的，而栈顶却是随着数据的入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，这个寄存器或存存储器单元用于指出栈顶的地址，这个寄存器或存储

12、器单元就称为堆栈指针储器单元就称为堆栈指针SP(StackPointer)。任何。任何堆栈操作只能在栈顶进行。堆栈操作只能在栈顶进行。http:/ 指 令 类 型压入指令压入指令PUSHOPR把把OPR(长度为两个字节长度为两个字节)压入堆栈压入堆栈操作是：操作是：(SP)-2SP，OPR(SP)弹出指令弹出指令POPOPR弹出一个数据弹出一个数据(长度为两个字节长度为两个字节)送送OPR操作是：操作是：(SP)OPR，(SP)+2SP由于堆栈具有先进后出的性质，因而在中断、子程序由于堆栈具有先进后出的性质，因而在中断、子程序调用过程中广泛用于保存返回地址、状态标志及现场调用过程中广泛用于保存

13、返回地址、状态标志及现场信息。信息。堆栈还有一个重要的作用，就是用于子程序调用时参堆栈还有一个重要的作用，就是用于子程序调用时参数的传递，特别是在不同语言程序之间相互调用过程数的传递，特别是在不同语言程序之间相互调用过程中，使用堆栈来传递数据更加普遍。中，使用堆栈来传递数据更加普遍。http:/ 指 令 类 型9.输入输入/输出输出(I/O)指令指令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(除除了固化在了固化在ROM中的以外中的以外)均来自外部设备的输入，处均来自外部设备的输入，处理结果需要外部设备输出。输入理结果需要外部设备输出。输入/输出指令的一般格

14、式输出指令的一般格式是是OPREGA。其中，。其中，OP是操作码，表示是操作码，表示I/O指令。指令。REG是寄存器名，用于指定与外部设备交换数据的是寄存器名，用于指定与外部设备交换数据的CPU中的某寄存器。中的某寄存器。A是外部设备接口中的寄存器地是外部设备接口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8位或位或16位，可以表示位，可以表示25664K个设备寄存器个设备寄存器(接口中有接口中有3类寄存器，即输入数类寄存器，即输入数据寄存器、输出数据寄存器和控制寄存器据寄存器、输出数据寄存器和控制寄存器)。输入指令。输入指令用于从用于从A地址所指定的外部设备寄存器中读入一个数

15、据地址所指定的外部设备寄存器中读入一个数据到到REG寄存器中；输出指令刚好相反，把寄存器中；输出指令刚好相反，把REG寄存器寄存器中的数中的数http:/ 指 令 类 型据送到据送到A地址所指定的外部设备寄存器中。此外，地址所指定的外部设备寄存器中。此外，I/O指令还可用来发送控制命令和接收回答信号，用以控指令还可用来发送控制命令和接收回答信号，用以控制外部设备的工作。制外部设备的工作。10.特权指令特权指令某些指令使用不当会破坏系统或其他用户信息，因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，这类指令只能用于操作系统或其他此为了安全起见，这类指令只能用于操作系统或其他系统软件

16、，而不提供给用户使用，称为特权指令。系统软件，而不提供给用户使用，称为特权指令。11.其他指令其他指令其他指令包括向量指令、多处理机指令和控制指令。其他指令包括向量指令、多处理机指令和控制指令。控制指令包括等待指令，停机指令，空操作指令，开控制指令包括等待指令，停机指令，空操作指令，开中断、关中断、置条件码指令。中断、关中断、置条件码指令。http:/ 指令系统举例下下面面通通过过几几种种类类型型计计算算机机指指令令系系统统的的介介绍绍来来增增加加认认识识，这这些些计计算算机机(或或处处理理器器)是是Sun微微系系统统公公司司的的SPARC90(RISC)、IBM360/370系系列列(CIS

17、C)、PDP11/VAX11(CISC)系系列列，Intel公公司司的的Pentium系系列列(基于基于RISC的处理器内核的处理器内核)。http:/ 指令系统举例n5.6.1SPARC的指令系统的指令系统n5.6.2IBM大型机指令系统大型机指令系统n5.6.3PDP11与与VAX11基本指令格式基本指令格式n5.6.4Pentium的指令系统的指令系统http:/ PDP 11与VAX 11基本指令格式VAX11/780是是DEC公公司司于于1977年年推推出出的的VAX系系列列的的第第一一个个产产品品，它它将将PDP11结结构构从从16位位扩扩充充到到32位位。VAX是是一一种种通通用

18、用寄寄存存器器机机器器，它它有有16个个通通用用寄寄存存器器，但但是是R14是是堆堆栈栈指指针针，R15为为程程序序计计数数器器PC，是是专专用用的的，因因此此只只有有其其他他14个个才才是是真真正正的的通通用用寄寄存器。存器。VAX的的数数据据类类型型：整整数数有有8、16、32、64、128位位5种种类类型型，浮浮点点数数有有32、64、128位位3种种表表示示方方式式。另另外外有有8n位位字字符符串串、4n 位位BCD码码，其其中中n为为字字符符或或数数字字的的数数量量。VAX还还支支持持固固定定或或可可变变长长度度的的位位串串(最长为最长为32位位)处理。处理。http:/ PDP 1

19、1与VAX 11基本指令格式 PDP11是是16位小型机，它有两组通用寄存器位小型机，它有两组通用寄存器(R0R5)，在任一时刻只有一组工作；，在任一时刻只有一组工作；3个硬件堆栈指个硬件堆栈指示器示器(R6)；一个程序计数器；一个程序计数器PC(R7)。根据兼容性。根据兼容性质，质，VAX11应包括应包括PDP11的全部指令与寻址方式，的全部指令与寻址方式，即即PDP11上的程序不做任何修改即可在上的程序不做任何修改即可在VAX11上上运行。现以运行。现以PDP11的单操作数指令与双操作数指的单操作数指令与双操作数指令为例，对它们的指令格式与寻址方式作简单介绍。令为例，对它们的指令格式与寻址

20、方式作简单介绍。http:/ PDP 11与VAX 11基本指令格式1.单操作数指令指令格式：指令格式：第第156位表示操作码。第位表示操作码。第50位组成一个位组成一个6位的字位的字段，既是源地址字段也是目的地址字段。第段，既是源地址字段也是目的地址字段。第20位位说明本指令使用说明本指令使用8个寄存器中的哪一个，第个寄存器中的哪一个，第53位表位表示使用哪种寻址方式。其中第示使用哪种寻址方式。其中第3位为位为0时表示直接寻时表示直接寻址，第址，第3位为位为1时表示间接寻址，第时表示间接寻址，第54位表示位表示4种种基本寻址方式。基本寻址方式。单操作数指令有清除单操作数指令有清除(CLR)、

21、增、增1(INC)、减、减1(DEC)、求补、求补(NEG)、测试、测试(TST)等。等。http:/ PDP 11与VAX 11基本指令格式2.双操作数指令双操作数指令指令格式：指令格式：第第1512位表示操作码。第位表示操作码。第116位组成一个位组成一个6位字段，位字段，为源地址字段为源地址字段(第一操作数第一操作数)；第；第50位组成另一个位组成另一个6位字段，既是源操作数字段位字段，既是源操作数字段(第二操作数第二操作数)，也是目的，也是目的操作数字段。操作数字段。双操作数指令有传送双操作数指令有传送(MOV)、加、加(ADD)、减、减(SUB)、比较、比较(CMP)、按位加、按位加

22、(XOR)、逻辑加、逻辑加(BIS)等。等。http:/ PDP 11与VAX 11基本指令格式3.转移指令指令格式：指令格式：转移地址转移地址=PC+2位移量位移量4.寻址方式这里只讲述单操作数指令与双操作数指令的寻址方式。这里只讲述单操作数指令与双操作数指令的寻址方式。1)直接寻址直接寻址表表5-1列出了直接寻址的列出了直接寻址的4种基本方式。现以种基本方式。现以ADD指令指令为例，来说明寻址方式。为例，来说明寻址方式。http:/ 称称汇编汇编程序程序语语法法功功 能能0寄存器方式寄存器方式Rn 寄存器内容是操作数寄存器内容是操作数2自动增量方自动增量方式式(Rn)+寄存器内容是操作数地

23、址，完成指定操作后，寄存器内容是操作数地址，完成指定操作后，寄存器内容加寄存器内容加24自动减量方自动减量方式式-(Rn)寄存器内容寄存器内容减减2后作为操作数地址后作为操作数地址6变址方式变址方式X(Rn)X+(Rn)形成操作数地址，形成操作数地址，X值存放在紧跟指令后值存放在紧跟指令后的存储器单元的存储器单元表表5-1直接寻址方式直接寻址方式http:/ PDP 11与VAX 11基本指令格式(1)ADDR2，R4寻址方式操作码寄存器地址指令代码指令代码060204(八进制表示八进制表示)操作：操作：R2内容加到内容加到R4的内容上。的内容上。例：例：操操作作前前操操作作后后http:/

24、PDP 11与VAX 11基本指令格式(2)ADD(R2)+，R4 指令代码062204 操作：R2内容为操作数地址，将此操作数加到R4的内容上，然后R2的内容加2。例：例：操作前 操作后http:/ PDP 11与VAX 11基本指令格式(3)ADD-(R3)，R0指令代码指令代码064300操作：操作：R3内容减内容减2后作为操作数地址，将此操作数加后作为操作数地址，将此操作数加到到R0的内容上。的内容上。例：例：操作前操作前操作后操作后http:/ PDP 11与VAX 11基本指令格式(4)ADD30(R2)，20(R5)指令代码指令代码066265操作：操作：R2内容加内容加30(加

25、和是加和是001130)作为源操作数作为源操作数地址，地址，R5内容加内容加20(加和是加和是002020)作为另一源操作为另一源操作数和目的操作数地址，两个操作数相加后，结果作数和目的操作数地址，两个操作数相加后，结果(加和是加和是000002)存放在目的地址存放在目的地址(002020)中。中。例：例：操作前操作前操作后操作后http:/ PDP 11与VAX 11基本指令格式2)间接寻址间接寻址表表5-2列出了间接寻址的列出了间接寻址的4种方式。间接寻址方式类种方式。间接寻址方式类似于相应的直接寻址方式，这里仅举两例说明。似于相应的直接寻址方式，这里仅举两例说明。方式方式名名 称称汇编汇

26、编程序程序语语法法功功 能能1寄存器间址寄存器间址Rn或或(Rn)寄存器内容是操作数地寄存器内容是操作数地址址3自动增量间址自动增量间址(Rn)+寄存器内容是操作数地寄存器内容是操作数地址的地址，操作后寄址的地址，操作后寄存器内容加存器内容加25自动减量间址自动减量间址-(Rn)寄存器内容寄存器内容减减2后，作后，作为操作数地址的地址为操作数地址的地址7变址间址变址间址X(Rn)X加加(Rn)形成操作数地形成操作数地址的地址，址的地址，X值紧跟值紧跟指令后存储指令后存储表表5-2间接寻址方式间接寻址方式http:/ PDP 11与VAX 11基本指令格式(1)ADD(R2)，R1指令代码指令代

27、码061201ADDR2，R1操作前操作前操作后操作后http:/ PDP 11与VAX 11基本指令格式(2)变址间接方式变址间接方式ADD1000(R2)，R1指令代码指令代码067201当当PC作为通用寄存器时，表作为通用寄存器时，表5-1和表和表5-2中列出的中列出的寻址方式仍适用，特别是表寻址方式仍适用，特别是表5-3中所列出的几种情中所列出的几种情况有特殊的效果。况有特殊的效果。方式方式名名 称称汇编汇编功功 能能2立即型立即型#n存放指令单元的下一个单元内是操作数存放指令单元的下一个单元内是操作数3绝对型绝对型#n存放指令单元的下一个单元内是操作数地址存放指令单元的下一个单元内是

28、操作数地址6相对型相对型A指令单元的下一个单元内是操作数地址与指令地指令单元的下一个单元内是操作数地址与指令地址址(PC中中)的相对位移量的相对位移量7相对间接相对间接A指令单元的下一个单元内是操作数地址的地址与指令单元的下一个单元内是操作数地址的地址与指令地址指令地址(PC中中)的相对位移量的相对位移量表表5-3PC作为通用寄存器的特殊寻址方式作为通用寄存器的特殊寻址方式http:/ PDP 11与VAX 11基本指令格式操作前操作前操作后操作后http:/ 变为变为1。nREPNZ前缀表示重复执行指令，直到条件码前缀表示重复执行指令，直到条件码Z 变为变为0。nLOOK前缀为整条指令保留总线，以允许多处理机前缀为整条指令保留总线，以允许多处理机同步。同步。还有一些指令前缀可以使指令运行于还有一些指令前缀可以使指令运行于16位模式或者位模式或者32位模式下。这些指令前缀不仅需要指令改变操作位模式下。这些指令前缀不仅需要指令改变操作数的长度，而且需要彻底地重新定义操作数的寻址数的长度，而且需要彻底地重新定义操作数的寻址方式。方式。http:/