计算机组成原理武汉科技大学计算机科学与技术学院第四章指令系统4.1.1指令系统的发展程序：解决某一实际问题的指令序列指令：要计算机执行某种操作的命令4.指令系统的发展50年代——只有定点加减、逻辑运算、数据传送、转移等十几至几十条指令60年代后期——增加了乘除运算、浮点运算、十进制运算、字符串处理等，指令多达一二百条，寻址方式也趋多样化60年代后期——开始出现系列计算机70年代末期——CISC(ComplexInstructionSetComputer)RISC(ReducedInstructionSetComputer)系列计算机——基本指令系统、体系结构相同的一系列计算机系列计算机必要条件——同一系列的各机种有共同的指令集；且实现“向上兼容”CISC和RISC一个完善的指令系统应满足的条件：完备性指令丰富、功能齐全、使用方便——用汇编语言编各种程序时，直接提供的指令足够用有效性程序占存储空间小、执行速度快规整性对称性、匀齐性、指令格式和数据格式的一致性对称性：所有的寄存器和存储器单元都可同等对待；所有的指令都可使用各种寻址方式匀齐性：一种操作指令可支持各种数据类型指令格式和数据格式的一致性：指令长度和数据长度有一定关系，方便处理和存取兼容性“向上兼容”低级语言分机器语言(二进制)和汇编语言(符号)高级语言与低级语言的性能比较：高级语言的语句和用法与具体机器的指令系统无关低级语言和具体机器的指令系统密切相关机器语言是机器能直接识别和执行的惟一语言汇编语言与硬件关系密切，编写的程序紧凑、占内存小、速度快，适合编写经常与硬件打交道的系统软件高级语言不涉及机器的硬件结构，通用性强、编写程序容易，适合编写与硬件没有直接关系的应用软件高级语言与低级语言的比较4.2指令格式(1)零地址指令两种情况：一是该指令不需要操作数，如NOP指令二是操作数隐含，如DAA操作数隐含于累加器AC中(2)一地址指令(单操作数指令)也有两种情况：一是指令本身只需要一个操作数，如NOT指令二是被操作数和结果隐含于累加器AC中AC←(AC)OP(A)(A)表示地址为A的内存或通用寄存器中的数(3)二地址指令(双操作数指令)A1←(A1)OP(A2)按操作数的物理位置不同又分为：SS型、RR型、RS型指令(4)三地址指令A3←(A1)OP(A2)A1——被操作数地址，也称源操作数地址A2——操作数地址，也称终点操作数地址A3——存放结果的地址A1，A2，A3可为内存单元或通用寄存器的地址机器字长：计算机能直接处理的二进制数的位数指令字长度：指令字包含二进制代码的位数，等长、变长两种等长指令字结构：结构简单，且指令字长度不变变长指令字结构：结构灵活，但控制较复杂典型的指令助记符1.八位微型计算机(字长8位)的指令格式——可变字长形式：单字长、双字长、三字长指令字长32位，字节寻址，通用寄存器32个R型指令——所有算术运算，数据必须放在通用寄存器中ARM指令集的一种指令格式[例1]已知指令格式，OP为操作码，试分析其特点[例2]试分析下面指令格式的特点[例3]MIPSR4000汇编语言中，寄存器$s0$s7对应寄存器号为1623(十进制)，寄存器$t0$t7对应寄存器号为815。下表列出了2条R型指令(add、sub)，2条I型指令(IW、SW)的汇编语言表示。请将4条汇编语言手工翻译成对应的机器语言(十进制)表示$s0$s7对应寄存器号为16234.3操作数类型Pentium数据类型4.3.3PowerPC数据类型4.4指令和数据的寻址方式跳跃寻址——下条指令的地址码由本条指令给出——形成操作数的有效地址的方法例如，一种单地址指令的结构如下所示——指令中不显式给出而是隐含着操作数的地址例如，单地址的指令格式隐含着累加器AC为第二操作数地址2.立即寻址——指令的地址字段给出的是操作数本身，而不是操作数地址不需要访问内存取数，故指令执行时间很短3.直接寻址——形式地址A是操作数地址的指示器，A单元的内容才是操作数的有效地址——指令中给出通用寄存器的编号，操作数在通用寄存器中6.寄存器间接寻址方式——指令中给出寄存器的编号，但该寄存器的内容是操作数的地址，操作数在内存中如：8086CPU的指令系统中MOV指令：MOVAX，BX；源操作数是寄存器寻址MOVAX，[BX]；源操作数是寄存器间接寻址7.偏移寻址以PC微型为例，内存单元的分段20位物理地址的构成——段寄存器、位移量数据的存取在栈顶——栈顶指示器PUSH——数据入栈，栈顶指示器减POP——数据出栈，栈顶指示器加基本寻址方式示意图基本寻址方