計算機組原理第四章指令系統4.1指令系統的發展與性能要求一、指令系統的發展計算機的程序是有一系列的機器指令組成的。指令就是要計算機執行某種操作的命令。從計算機組成的層次結構來說，計算機的指令有微指令、機器指令和宏指令之分。02二月20234.1指令系統的發展與性能要求微指令：是微程序級的命令，它屬于硬件。宏指令：是由若干條機器指令組成的軟件指令，它屬于軟件。機器指令：介于微指令和宏指令之間，通常簡稱為指令，每一條指令可以完成一個獨立的算術運算或邏輯運算操作。

02二月20234.1指令系統的發展與性能要求一臺計算機中所有機器指令的集合，稱為這臺計算機的指令系統。指令系統是表征一臺計算機性能的重要因素，它的格式與功能不僅直接影響到機器的硬件結構，而且也直接影響到系統軟件，影響到機器的適用范圍。02二月20234.1指令系統的發展與性能要求

02二月20234.1指令系統的發展與性能要求下面我們來看一下計算機指令系統的發展過程:

50年代：指令系統只有定點加減、邏輯運算、數據傳送、轉移等十幾至幾十條指令。60年代后期：增加了乘除運算、浮點運算、十進制運算、字符串處理等指令，指令數目多達一二百條，尋址方式也趨多樣化。02二月20234.1指令系統的發展與性能要求系列計算機是指節本指令系統相同、基本體系結構相同的一系列計算機。其必要條件是同一系列的各機種有共同的指令集．而且新推出的機種指令系統一定包含所有舊機種的全部指令，即實現一個“向上兼容”。因此舊機種上運行的各種軟件可以不加任何修改便可在新機種上運行，大大減少了軟件開發費用。系列機解決了各機種的軟件兼容問題02二月20234.1指令系統的發展與性能要求復雜指令系統計算機（CISC)計算機的指令系統多達幾百條。但是如此龐大的指令系統難以保證正確性，不易調試維護，造成硬件資源浪費。為此人們又提出了便于VLSI技術實現的精簡指令系統計算機（RISC）RISC是一種計算機系統結構的設計思想，至今還沒有一個確切的定義，也難以再CISC和RISC之間劃出一條明顯的界限02二月20234.1指令系統的發展與性能要求二、對指令系統性能的要求指令系統的性能決定了計算機的基本功能，它的設計直接關系到計算機的硬件結構和用戶的需要。一個完善的指令系統應滿足如下四方面的要求：完備性用匯編語言編寫各種程序時，指令系統直接提供的指令足夠使用，而不必用軟件來實現。完備性要求指令系統豐富、功能齊全、使用方便。

02二月20234.1指令系統的發展與性能要求有效性利用該指令系統所編寫的程序能夠高效率的運行。高效率主要表現在程序占據存儲空間小、執行速度快。一般來說，一個功能更強、更完善的指令系統，必定有更好的有效性。規整性規整性包括指令系統的對稱性、勻齊性、指令格式和數據格式的一致性。02二月20234.1指令系統的發展與性能要求對稱性指在指令系統中所有的寄存器和存儲器單元都可同等對待，所有的指令都可使用各種尋址方式；勻齊性是指一種操作性質的指令可以支持各種數據類型；指令格式和數據格式的一致性是指指令長度和數據長度有一定的關系，以方便處理和存取。02二月20234.1指令系統的發展與性能要求兼容性

系列機各機種之間具有相同的基本結構和共同的基本指令集，因而指令系統是兼容的，即各機種上基本軟件可以通用。但由于不同機種推出的時間不同，在結構和性能上有差異，做到所有軟件都完全兼容是不可能的，只能做到“向上兼容”，即低檔機上運行的軟件可以在高檔機上運行。02二月20234.1指令系統的發展與性能要求三、低級語言與硬件結構的關系計算機語言有高級語言和低級語言之分。高級語言語句和用法與具體機器的指令系統無關。低級語言分機器語言（二進制語言）和匯編語言（符號語言），這兩種語言都是面向機器的語言，它們和具體機器的指令系統密切相關。機器語言用指令代碼編寫程序，而符號語言用指令助記符來編寫程序。

02二月20234.1指令系統的發展與性能要求高級語言和低級語言的異同可參考表4.1。計算機能夠直接識別和執行的唯一語言是二進制語言，但人們采用符號語言或高級語言編寫程序。為此，必須借助匯編程序或編譯程序，把符號語言或高級語言翻譯成二進制碼組成的機器語言。匯編語言依賴于計算機的硬件結構和指令系統。不同的機器有不同的指令，所以用匯編語言編寫的程序不能在其他類型的機器上運行。

02二月20234.1指令系統的發展與性能要求高級語言與計算機的硬件結構及指令系統無關，在編寫程序方面比匯編語言優越。但是高級語言程序“看不見”機器的硬件結構，不能用于編寫直接訪問機器硬件資源的系統軟件或設備控制軟件。為此，一些高級語言提供了與匯編語言之間的調用接口。用匯編語言編寫的程序，可作為高級語言的一個外部過程或函數，利用堆棧來傳遞參數或參數的地址。02二月20234.1指令系統的發展與性能要求02二月20234.2指令格式指令能反映以下信息:做什么操作如果需要操作數，從哪里取結果送哪里下一條指令從哪里取影響計算機指令格式的因素:

機器的字長存儲器的容量（）指令的功能02二月20234.2指令格式指令格式則是指令字用二進制代碼表示的結構形式，由操作碼字段和地址碼字段組成。02二月2023操作碼地址碼4.2指令格式一、操作碼操作碼字段表征指令的操作特性與功能；地址碼字段通常指定參與操作的操作數的地址。操作碼:表示該指令應進行什么性質的操作。每一種編碼代表一種指令,組成操作碼字段的位數一般取決于計算機指令系統的規模。02二月20234.2指令格式例如:8條____________3位32條___________5位對于一個機器的指令系統，在指令字中操作碼字段和地址碼字段長度通常是固定的。在單片機中，由于指令字較短，為了充分利用指令字長度，指令字的操作碼字段和地址碼字段是不固定的，即不同類型的指令有不同的劃分，以便盡可能用較短的指令字長來表示越來越多的操作種類，并在越來越大的存儲空間中尋址。02二月20234.2指令格式二、地址碼地址碼通常指定參與操作的操作數的地址。根據一條指令中有幾個操作數地址，可將該指令稱為幾操作數指令或幾地址指令。目前二地址和一地址指令格式用的得最多。零地址指令的指令字中只有操作碼，而沒有地址碼?！巴C”、“空操作”、“清除”等控制類指令02二月20234.2指令格式一地址指令常稱單操作數指令。

(AC)OP(A)→AC二地址指令常稱雙操作數指令，它有兩個地址碼字段A1和A2，分別指明參與操作的兩個數在內存中或運算器通用寄存器的地址，其中地址A1兼做存放操作結果的地址。

(A1)OP(A2)→A102二月2023OPA1A24.2指令格式三地址指令字中有三個操作數地址A1，A2和A3。

(A1)OP(A2)→A3

02二月2023OPA1A2A34.2指令格式二地址指令根據操作數的物理位置又可歸結為三種類型：訪問內存的指令格式，我們稱這類指令為存儲器－存儲器（SS）型指令；訪問寄存器的指令格式，我們稱這類指令為寄存器－寄存器（RR）型指令；第三種類型為寄存器－存儲器（RS）型指令。02二月20234.2指令格式三、指令字長度一個指令字中包含二進制代碼的位數，稱為指令字長度。機器字長是指計算機能直接處理的二進制數據的位數，它決定了計算機的運算精度。02二月20234.2指令格式單字長指令：指令字長度等于機器字長度的指令半字長指令：指令字長度等于半個機器字長度的指令雙字長指令：指令字長度等于兩個機器字長度的指令02二月20234.2指令格式使用多字長指令的優點：可以提供足夠的地址位來解決訪問內存任何單元的尋址問題。使用多字長指令的缺點:必須兩次或多次訪問內存以取出整條指令，這就降低了CPU的運算速度，同時又占用了更多的存儲空間。02二月20234.2指令格式在一個指令系統中，如果各種指令字長度是相等的，稱為等長指令字結構，這種指令字結構簡單，且指令字長度是不變的。如果各種指令字長度隨指令功能而異，就稱為變長指令字結構。這種指令字結構靈活，能充分利用指令長度，但指令的控制較復雜。02二月20234.2指令格式四、指令助記符由于硬件只能識別1和0，所以采用二進制操作碼是必要的，但是我們用二進制來書寫程序卻非常麻煩。為便于書寫和記憶而設定的，與機器指令一一對應。每條指令通常用3個或4個英文縮寫字母來表示。這種縮寫碼叫做指令助記符。指令助記符由匯編程序轉換成它們相對應的二進制操作碼。02二月20234.2指令格式不同的計算機中，指令助記符的規定是不一樣的。當指令的操作碼用助記符表示，而地址及其尋址特征也用符號表示時，就成為匯編語言，這些符號稱為匯編符號，用匯編符號表示的指令格式，就稱為匯編格式。P118表4.202二月20234.2指令格式五、指令格式舉例八位微型計算機的指令格式8位微型機字長只有8位，指令結構是一種可變字長形式，包含單字長、雙字長、三字長指令等多種。單字長指令雙字長指令三字長指令

02二月20234.2指令格式內存按字節編址，所以單字長指令每執行一條指令后，指令地址加１。雙字長指令或三字長指令每執行一條指令時，指令地址要加2或加3，可見多字長的指令格式不利于提高機器速度。02二月20234.2指令格式六、PDP/11系列機指令格式

PDP/11系列機指令字長16位，其指令格式如下表所示。4.3PDP/11系列機指令格式

02二月20234.2指令格式從表中看出，在PDP/11中，操作碼字段是不固定的，其長度也是不相同的。這樣做可以擴展操作碼以包含較多的指令。但是操作碼字段不固定，對控制器的設計來說必將復雜化。02二月20234.2指令格式[例1]指令格式如下所示，其中OP為操作碼，試分析指令格式的特點。1597430

[解]：(1)單字長二地址指令。(2)操作碼字段OP可以指定128條指令。(3)源寄存器和目標寄存器都是通用寄存器（可分別指定16個），所以是RR型指令，兩個操作數均在寄存器中。(4)這種指令結構常用于算術邏輯運算類指令。02二月2023OP------源寄存器目標寄存器4.2指令格式[例2]指令格式如下所示，OP為操作碼字段，試分析指令格式特點。

15107430[解]：(1)雙字長二地址指令，用于訪問存儲器。

(2)操作碼字段OP為6位，可以指定64種操作。

(3)一個操作數在源寄存器（共16個），另一個操作數在存儲器中（由變址寄存器和位移量決定）所以是RS型指令。02二月2023OP------源寄存器變址寄存器位移量（16字）4.3指令和數據的尋址方式研究問題確定本條指令中各操作數的地址下一條指令的地址尋址方式是指CPU根據指令中給出的地址碼字段尋找相應的操作數的方式，它與計算機硬件結構緊密相關，而且對指令的格式和功能有很大的影響。02二月20234.3指令和數據的尋址方式尋址方式

指令尋址方式（簡單）

跳躍尋址方式

數據尋址方式（復雜）02二月2023順序尋址方式4.3指令和數據的尋址方式一、指令的尋址方式操作數或指令在存儲器中的地址：某個操作數或某條指令存放在某個存儲單元時其存儲單元的編號。在存儲器中，操作數或指令字寫入或讀出的方式，有地址指定方式、相聯存儲方式和堆棧存取方式。當采用地址指定方式時，形成操作數或指令地址的方式，稱為尋址方式。02二月20234.3指令和數據的尋址方式順序尋址方式指令地址在內存中按順序安排，當執行一段程序時，通常是一條指令接一條指令的順序執行。從存儲器取出第一條指令，然后執行這條指令；接著從存儲器取出第二條指令，在執行第二條指令；接著再取出第三條指令……這種程序順序執行的過程，我們稱為指令的順序尋址方式。02二月20234.3指令和數據的尋址方式為此，必須使用程序計數器（又稱指令指針寄存器）PC來計數指令的順序號，該順序號就是指令在內存中的地址。02二月20234.3指令和數據的尋址方式跳躍尋址方式

當程序轉移執行的順序時，指令的尋址就采取跳躍尋址方式。所謂跳躍，是指下條指令的地址碼不是由程序計數器給出，而是由本條指令給出。程序跳躍后，按新的指令地址開始順序執行。指令計數器的內容也必須相應改變，以便及時跟蹤新的指令地址。采用指令跳躍尋址方式，可以實現程序轉移或構成循環程序，從而能縮短程序長度，或將某些程序作為公共程序引用。指令系統中的各種條件轉移或無條件轉移指令，就是為了實現指令的跳躍尋址而設置的。02二月20234.3指令和數據的尋址方式二、操作數尋址方式由于指令中操作數字段的地址碼是由形式地址和尋址方式特征位等組合形成。因此，一般來說，指令中所給出的地址碼，并不是操作數的有效地址。形成操作數的有效地址的方法，稱為操作數的尋址方式。02二月20234.3指令和數據的尋址方式操作數包含在CPU的某一個內部寄存器中；操作數包含在主存儲器中；操作數包含在I/O設備的端口中;根據操作數放在不同的地方，從而派生各種不同的尋址方式，往往不同的計算機具有不同的尋址方式。02二月20234.3指令和數據的尋址方式例如，一種單地址指令的結構如下所示，其中用X，I，D各字段組成該指令的操作數地址。指令中操作數字段的地址碼是由形式地址和尋址方式特征位等組合形成，因此，一般來說，指令中所給出的地址碼，并不是操作數的有效地址。因此，尋址過程就是把操作數的形式地址，變換為操作數的有效地址的過程。02二月2023操作碼OP變址X間址I地址D4.3指令和數據的尋址方式1.隱含尋址在指令中不明顯的給出而是隱含著操作數的地址。例如，單地址的指令格式，沒有在地址字段中指明第二操作數地址，而是規定累加寄存器AC作為第二操作數地址，AC對單地址指令格式來說是隱含地址。02二月20234.3指令和數據的尋址方式2.立即尋址指令的地址字段指出的不是操作數的地址，而是操作數本身。這種方式的特點是指令執行時間很短，不需要訪問內存取數。例如：單地址的移位指令格式為這里D不是地址，而是一個操作數。F為標志位，當F＝1，操作數進行右移；當F＝0時，操作數進行左移。02二月2023OP（移位）FD4.3指令和數據的尋址方式3.直接尋址直接尋址特點是：在指令格式的地址字段中直接指出操作數在內存的地址D。

采用直接尋址方式時，指令字中的形式地址D就是操作數的有效地址E，既E＝D。因此通常把形式地址D又稱為直接地址。此時，由尋址模式給予指示。如果用S表示操作數，那么直接尋址的邏輯表達式為S＝（E）＝（D）02二月20234.3指令和數據的尋址方式02二月20234.3指令和數據的尋址方式4.間接尋址間接尋址的情況下，指令地址字段中的形式地址D不是操作數的真正地址，而是操作數地址的指示器，D單元的內容才是操作數的有效地址。

如果把直接尋址和間接尋址結合起來，指令有如下形式：

02二月2023操作碼1D4.3指令和數據的尋址方式尋址特征位I＝0，表示直接尋址，這時有效地址E＝D；I＝1，表示間接尋址，這時有效地址E＝（D）。間接尋址方式是早期計算機中經常采用的方式，但由于兩次訪存，影響指令執行速度，現在已不大使用。02二月20234.3指令和數據的尋址方式02二月20234.3指令和數據的尋址方式5.寄存器尋址方式和寄存器間接尋址方式當操作數不放在內存中，而是放在CPU的通用寄存器中時，可采用寄存器尋址方式。此時指令中給出的操作數地址不是內存的地址單元號，而是通用寄存器的編號。寄存器間接尋址方式與寄存器尋址方式的區別在于：指令格式中的寄存器內容不是操作數，而是操作數的地址，該地址指明的操作數在內存中。02二月20234.3指令和數據的尋址方式6.相對尋址方式(偏移尋址)相對尋址是把程序計數器PC的內容加上指令格式中的形式地址D而形成操作數的有效地址。程序計數器的內容就是當前指令的地址?！跋鄬Α睂ぶ?，就是相對于當前的指令地址而言。

采用相對尋址方式的好處是程序員無須用指令的絕對地址編程，所編程序可以放在內存任何地方。此時形式地址D通常稱為偏移量，其值可正可負，相對于當前指令地址進行浮動。02二月20234.3指令和數據的尋址方式02二月20234.3指令和數據的尋址方式7.基址尋址方式(偏移尋址)基址尋址方式是將CPU中基址寄存器的內容加上指令格式中的形式地址而形成操作數的有效地址。

它的優點是可以擴大尋址能力。同形式地址相比，基址寄存器的位數可以設置得很長，從而可以在較大的存儲空間中尋址。02二月20234.3指令和數據的尋址方式02二月20234.3指令和數據的尋址方式8.變址尋址方式(偏移尋址)變址尋址方式與基址尋址方式計算有效地址的方法很相似，它把CPU中某個變址寄存器的內容與偏移量D相加來形成操作數有效地址。但使用變址尋址方式的目的不在于擴大尋址空間，而在于實現程序塊的規律性變化。02二月20234.3指令和數據的尋址方式02二月20234.3指令和數據的尋址方式9.段尋址方式微型機中采用了段尋址方式，例如它們可以給定一個20位的地址，從而有1M存儲空間的直接尋址能力。為此將整個1M空間存儲器以64K為單位劃分成若干段。在尋址一個內存具體單元時，由一個基地址再加上某些寄存器提供的16位偏移量來形成實際的20位物理地址。這個基地址就是CPU中的段寄存器。在形成20位物理地址時，段寄存器中的16位數會自02二月20234.3指令和數據的尋址方式動左移4位，然后以16位偏移量相加，即可形成所需的內存地址。這種尋址方式的實質還是基址尋址。02二月20234.3指令和數據的尋址方式10.堆棧尋址方式堆棧有寄存器堆棧和存儲器堆棧兩種形式，它們都以先進后出的原理存儲數據。數據進棧時使用PUSH指令，將數據壓入棧頂地址，堆棧指示器減1；數據退棧時，使用POP指令，數據從棧頂地址彈出，堆棧指示器加1。這保證了堆棧中數據先進后出的存取順序。02二月20234.3指令和數據的尋址方式[例3]一種二地址RS型指令的結構如下所示：

6位4位1位2位16位其中I為間接尋址標志位，X為尋址模式字段，D位偏移量字段。通過I，X，D的組合，可構成下表所示的尋址方式。請寫出六種尋址方式的名稱。02二月2023操作碼-------通用寄存器1XD4.3指令和數據的尋址方式尋址方式I

X有效地址E算法說明(1)

0

00

E=D

(2)0

01

E=(PC)+DPC為程序計數器(3)

0

10

E=(R2)+DR2為變址寄存器(4)

1

11

E=(R3)

(5)

1

00

E=(D)

(6)0

11

E=(R1)+DR1為基址寄存器02二月20234.3指令和數據的尋址方式[解]：⑴直接尋址

⑵相對尋址⑶變址尋址⑷寄存器間接尋址⑸間接尋址⑹基址尋址02二月20234.3指令和數據的尋址方式[例4]

某16位機器所使用的指令格式和尋址方式如下所示，該機有兩個20位基址寄存器，四個16位變址寄存器，十六個16位通用寄存器，指令匯編格式中的S（源），D（目標）都是通用寄存器，M是主存中的一個單元。三種指令的操作碼分別是MOV（OP）＝（A）H，STA（OP）＝（1B）H，LDA（OP）＝（3C）H。MOV是傳送指令，STA為寫數指令，LDA為讀數指令。02二月20234.3指令和數據的尋址方式要求：⑴分析三種指令的指令格式與尋址方式特點。⑵CPU完成哪一種操作所花時間最短？哪一種操作所花時間最長？第二種指令的執行時間有時會等于第三種指令的執行時間嗎？⑶下列情況下每個十六進制指令字分別代表什么操作？其中如果有編碼不正確，如何改正才能成為合法指令？①(F0F1)H(3CD2)H②(2856)H

③（6FD6)H④（1C2)H02二月20234.3指令和數據的尋址方式[解]：

⑴第一種指令是單字長二地址指令，RR型；第二種指令是雙字長二地址指令，RS型，其中S采用基址尋址或變址尋址，R由源寄存器決定；第三種也是雙字長二地址指令，RS型，其中R由目標寄存器決定，S由20位地址（直接尋址）決定。

02二月20234.3指令和數據的尋址方式⑵處理機完成第一種指令所花時間最短，因為是RR型指令，不需要訪問存儲器。第二種指令所花時間最長，因為是RS型指令，需要訪問存儲器，同時要進行尋址方式的變換運算（基址或變址），這也需要時間。第二種指令的執行時間不會等于第三種指令，因為第三種指令雖然也訪問存儲器，但節省了求有效地址運算的時間開銷。02二月20234.3指令和數據的尋址方式⑶根據已知條件：MOV（OP）＝001010，STA（OP）＝011011，LDA（OP）＝111100,將指令的十六進制格式轉換成二進制代碼且比較后可知：①（F0F1）H（3CD2）H

指令代表LDA指令，編碼正確，其含義是把主存（13CD2）H地址單元的內容取至15號寄存器。②（2856)H

指令代表MOV指令，編碼正確，含義是把6號源寄存器的內容傳送至5號目標寄存器。02二月20234.3指令和數據的尋址方式③（6FD6）H是單字長指令，一定是MOV指令，但編碼錯誤，可改正為（28D6）H④（1C2）H

是單字長指令，代表MOV指令，但編碼錯誤，可改正為（28C2）H

。02二月20234.4典型指令一、指令的分類1.數據傳送指令數據傳送指令主要包括取數指令、存數指令、傳送指令、成組傳送指令、字節交換指令、清累加器指令、堆棧操作指令等等。這類指令主要用來實現主存和寄存器之間，或寄存器和寄存器之間的數據傳送。02二月20234.4典型指令2.算術運算指令這類指令包括二進制定點加、減、乘、除指令，浮點加、減、乘、除指令，求反、求補指令，算術移位指令，算術比較指令，十進制加、減運算指令等。這類指令主要用于定點或浮點的算術運算，大型機中有向量運算指令，直接對整個向量或矩陣進行求和、求積運算。02二月20234.4