计算机组成原理第7章.ppt

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1、第七章 指 令 系 统,指令系统,CPU的主要工作是执行指令，指令是指挥计算机执行某些操作的命令，一台计算机所有指令的集合构成该计算机的指令系统。,一、机器指令的格式,一条指令就是机器语言的一个语句，由一组二进制代码来表示。一条指令由两部分构成：,操作码：指明指令的操作性质及功能。地址码：指明操作数的地址。一条指令必须有一个操作码，可能包含几个地址码。,1、操作码,指令系统中的每一条指令都有一个唯一确定的操作码，反应不同的操作功能。指令操作码的编码可以分为定长编码和变长编码。,（1）定长编码,这是一种最简单的编码方式，操作码的位数和位置固定，指令长度不固定。操作码不同涉及的操作数的个数不同，所

2、以指令的长度随操作码而变化。例如，IBM370机就是采用这种定长操作码格式。IBM 370机（字长32位）的指令可分为三种不同的长度，不论指令的长度有多少位，其中的操作码字段一律都是8位。,IBM 370机的指令格式,（2）变长编码,这是一种操作码长度不固定，而指令长度固定的设计方法。PDP-11机（字长16位）的指令分为单字长、两字长、三字长三种，操作码字段占416位不等，可遍及整个指令长度。显然，操作码字段位数的不固定将增加指令译码的难度，使控制器的设计复杂化。但是，它有效地利用每个二进制位。,PDP-11机的指令格式,(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,

3、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 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

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

5、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,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.

6、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,SAL,SAR SHL,SHR,RCL,RCR ROL,ROR,8086cpu的标志寄存器,标志寄存器,FLAGS为标志寄存器，又称PSW（Program Status Word），即程序状态寄存器。这是一个存放条件码标志、控制标志和系统标志的寄存器。,条件码标志 包括以下6位：OF（Over Flow Flag）溢出标志。(示例)将参加算术运算的数看作带符号

7、数，如运算结果超出补码表示数的范围N，即溢出时，则OF置1；否则OF置0。对于字节运算有128N+127；对于字运算有32768N+32767。SF（Sign Flag）符号标志。(示例)把指令执行结果看作带符号数，如结果为负，则SF置1；结果为正，则SF置0。ZF（Zero Flag）零标志。(示例)如指令执行结果各位全为0时，则ZF置1；否则ZF置0。,8086 CPU中标志寄存器的内容：,CF（Carry Flag）进位标志。(示例)(与OF的区别)在进行算术运算时，如最高位（对字操作是第15位，对字节操作是第7位）产生进位或借位时，则CF置1；否则置0。在移位类指令中，CF用来存放移出

8、的代码（0或1）。AF（Auxiliary Carry Flag)辅助进位标志(与CF的区别)在进行算术运算时，如低字节中低4位（第3位）产生进位或借位时，则AF置1；否则AF置0。AF可用于十进制运算的校正。PF（Parity Flag）奇偶标志。(示例)用来为机器中传送信息时可能产生的代码出错情况提供检验条件。当运算结果中1的个数为偶数时置1，否则置0。,示例指令1：mov al,98 add al,99 执行后将产生溢出。因为add al,99 进行的有符号数运算是：(al)=(al)+99=98+99=197 而结果197超出了机器所能表示的8位有符号数的范围：-128127。示例指令

9、2：mov al,0F0H;0F0H，为有符号数-16的补码 add al,88H;88H，为有符号数-120的补码 执行后将产生溢出。因为add al,88H进行的有符号数运算是：(al)=(al)+(-120)=(-16)+(-120)=-136 而结果-136超出了机器所能表示的8位有符号数的范围：-128127。,OF示例,计算机中通常用补码来表示有符号数据。所以计算机中的一个数据可以看作是有符号数，也可以看成是无符号数指令示例 mov al,10000001B add al,1 结果：(al)=10000010B将add指令进行的运算当作无符号数的运算，那么add指令相当于计算129

10、+1，结果为130（10000010B）；虽然运算影响了SF的值，但是SF的值则没有意义。,SF示例,将add指令进行的运算当作有符号数的运算，那么add指令相当于计算-127+1，结果为-126（10000010B）。这是结果为负数，则SF=1，所以通过SF来得知结果的正负。总之，SF 标志就是CPU对有符号数运算结果的一种记录，它记录数据的正负。,指令示例：mov ax,1 sub ax,1 指令执行后，结果为0，则ZF=1。mov ax,2 sub ax,1 指令执行后，结果为1，则ZF=0。,ZF示例,比如，两个8 位数据：98H+98H，将产生进位。mov al,98Hadd al,

11、al;执行后：(al)=30H，CF=1，add al,al;执行后：(al)=60H，CF=0，;CF记录了最高有效位向更高位的进位值比如，两个 8 位数据：97H-98H，将产生借位，借位后，相当于计算197H-98H。mov al,98Hsub al,al;执行后：(al)=FFH，CF=1，sub al,al;执行后：(al)=00H，CF=0，;CF记录了最高有效位向更高位的借位值,CF示例,示例指令：mov al,1 add al,10 执行后，结果为00001011B，其中有3（奇数）个1，则PF=0；指令：mov al,1 or al,10 执行后，结果为00000011B，其

12、中有2（偶数）个1，则PF=1；,PF示例,CF是对无符号数运算有意义的标志位；OF是对有符号数运算有意义的标志位。比如：mov al,98 add al,99 add指令执行后：CF=0，OF=1。总的来说，对于无符号数运算，CPU用CF位来记录是否产生了进位；对于有符号数运算，CPU 用 OF 位来记录是否产生了溢出，还要用SF位来记录结果的符号。它们之间没有任何关系。,OF与CF的区别,OF与CF的区别,区别：8位运算或16位运算时如果有进位或借位CF等于1。AF也一样是进位或借位的标志，只不过它是4位运算时的进位或借位的标志。示例：两个8位寄存器,AL=1000 0001，BL=100

13、0 0011;add AL BL;结果CF=1，AF=0 因为AL和BL的低四位相加没有进位 AF是为了在BCD码运算时，要用到的，因为BCD码是以4位表示的。,控制标志位1位 DF（Direction Flag）方向标志，用来在串处理指令中控制处理信息的方向。当DF位为1时，每次操作后使变址寄存器SI和DI减小，这样就使串处理从高地址向低地址方向处理。当DF位为0时，则使SI和DI增大，使串处理从低地址向高地址方向处理。系统标志位：TF（Trap Flag）陷阱标志，用于调试时的单步方式操作。IF（Interrupt Flag）中断标志。,在调试程序DEBUG中提供了测试标志位的手段，用符号

14、表示某些标志位的值：,(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,7.3 寻 址 方 式,

15、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,MUL 指令,被乘数隐含在 AX（16位）或

16、 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,

17、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=

18、(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 ANS,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

19、,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=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 S

20、P 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、

21、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 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

22、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,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,