第5章 指令系統(tǒng),（時(shí)間：3次課，6學(xué)時(shí)）,第5章 指令系統(tǒng),本章講述計(jì)算機(jī)指令功能、指令中包含的信息、指令的一般格式、被指令處理的數(shù)據(jù)如何存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中、指令如何尋找被處理的數(shù)據(jù)、指令分類、指令系統(tǒng)的兼容性等問(wèn)題，并列舉幾種類型的計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)，由此可以較為深刻地理解計(jì)算機(jī)指令和指令系統(tǒng)的意義。,第5章 指令系統(tǒng),5.1 計(jì)算機(jī)指令概念 5.2 指令格式 5.3 數(shù)據(jù)的表示和存儲(chǔ) 5.4 尋址方式 5.5 指令類型 5.6 指令系統(tǒng)舉例 5.7 機(jī)器語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言和高級(jí)語(yǔ)言,5.1 計(jì)算機(jī)指令概念,軟件系統(tǒng)分為許多層次，最低的一層就是緊臨硬件的一層，它直接控制計(jì)算機(jī)的硬件運(yùn)行，這一層就是指令系統(tǒng)。指令系統(tǒng)是一種型號(hào)的計(jì)算機(jī)所具有的全體指令的集合。不同型號(hào)的計(jì)算機(jī)有不同的指令系統(tǒng)，一般不兼容。 計(jì)算機(jī)正在執(zhí)行的指令（二進(jìn)制信息）是存放在控制器的指令寄存器中的。一條指令的功能就是告訴計(jì)算機(jī)要完成什么操作，至于具體如何完成，必須將指令寄存器中的指令經(jīng)控制器的譯碼電路和微命令發(fā)生器，產(chǎn)生微命令；經(jīng)控制器的地址形成電路給出操作數(shù)地址；由微命令和操作數(shù)地址決定實(shí)際的操作步驟。,5.1 計(jì)算機(jī)指令概念,一般說(shuō)來(lái)，指令系統(tǒng)中的一條指令包括兩大類信息，即操作信息和地址信息。 計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)的設(shè)置與計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。指令系統(tǒng)直接影響到計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的性能，也直接影響到操作系統(tǒng)和編譯程序的編寫難度，可見(jiàn)指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是計(jì)算機(jī)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的一個(gè)核心問(wèn)題。 系列(Series)計(jì)算機(jī)。 指令系統(tǒng)的改進(jìn)是圍繞著縮小機(jī)器語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言與高級(jí)語(yǔ)言的語(yǔ)義差異以及有利于操作系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化而進(jìn)行的，它有利于高級(jí)語(yǔ)言程序的編譯和提高機(jī)器運(yùn)行速度。,5.1 計(jì)算機(jī)指令概念,指令系統(tǒng)太復(fù)雜也會(huì)帶來(lái)一些不利因素，為了解決這個(gè)問(wèn)題，70年代末人們提出了便于VLSI實(shí)現(xiàn)的精簡(jiǎn)指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱RISC；與之相應(yīng)的便是復(fù)雜指令系統(tǒng)計(jì)算機(jī)，簡(jiǎn)稱CISC。,5.2 指 令 格 式,計(jì)算機(jī)的指令格式與機(jī)器字長(zhǎng)、存儲(chǔ)器的容量以及指令的功能都有很大關(guān)系。為了便于程序設(shè)計(jì)、增加基本操作的并行性、增強(qiáng)指令功能，指令中包含的信息越多越好。然而如果所有指令都取相同長(zhǎng)度的話，那么在有些指令中，一部分信息將是沒(méi)有意義的，這就浪費(fèi)了指令所占的存儲(chǔ)空間，從而增加了訪存次數(shù)，可能使整個(gè)指令執(zhí)行時(shí)間更長(zhǎng)。因此，如何科學(xué)合理地設(shè)計(jì)指令格式，使指令既能給出足夠信息，其長(zhǎng)度又盡可能與機(jī)器的字長(zhǎng)相匹配，從而節(jié)省存儲(chǔ)空間，縮短取指周期，達(dá)到提高機(jī)器性能的目的，一直是指令格式設(shè)計(jì)中的一個(gè)重要問(wèn)題。,5.2 指 令 格 式,5.2.1 指令的一般格式 5.2.2 指令操作碼的擴(kuò)展技術(shù) 5.2.3 指令長(zhǎng)度與字長(zhǎng)的關(guān)系,5.2.1 指令的一般格式,計(jì)算機(jī)通過(guò)執(zhí)行指令來(lái)處理各種數(shù)據(jù)。為了指出數(shù)據(jù)的來(lái)源、操作結(jié)果的去向及所執(zhí)行的操作，一條指令必須包含下列信息。 操作碼 操作數(shù)的地址。 下一條指令的地址 根據(jù)上述分析可知，一條指令實(shí)際上包括兩種信息，即操作碼和地址碼。 零地址指令,OP CODE,2. 一地址指令,3. 兩地址指令,4. 三地址指令,5.2.1 指令的一般格式,5. 多地址指令 在某些性能較好的大、中型機(jī)甚至高檔次小型機(jī)中，往往設(shè)置一些功能很強(qiáng)、用于處理成批數(shù)據(jù)的指令，如字符串處理指令，向量、矩陣運(yùn)算指令。為了描述一批數(shù)據(jù)，指令中需要多個(gè)地址來(lái)指出數(shù)據(jù)存放的首地址、長(zhǎng)度和下標(biāo)等信息。 以上所述的幾種指令只是一般情況，并非所有計(jì)算機(jī)都具有。零地址、一地址和兩地址指令具有指令短、執(zhí)行速度快、硬件實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，多為結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單、字長(zhǎng)較短的小型、微型機(jī)所采用；而兩地址、三地址和多地址指令具有功能強(qiáng)、便于編程等特點(diǎn)，多為字長(zhǎng)較長(zhǎng)的大、中型機(jī)所采用。但也不能一概而論。,5.2.1 指令的一般格式,5.2.2 指令操作碼的擴(kuò)展技術(shù),指令的操作碼長(zhǎng)度決定了指令系統(tǒng)中完成不同操作的指令條數(shù)。若某機(jī)器的操作碼長(zhǎng)度為K位，則它最多只能有2K條不同指令。指令操作碼通常有兩種編碼格式，一種是固定格式，即操作碼的長(zhǎng)度固定，且集中放在指令字的一個(gè)字段中。這種格式對(duì)于簡(jiǎn)化硬件設(shè)計(jì)、減少指令譯碼時(shí)間非常有利，在字長(zhǎng)較長(zhǎng)的大、中型機(jī)和超級(jí)小型機(jī)以及RISC上廣泛使用。另一種是可變格式，即操作碼的長(zhǎng)度可變，且分散地放在指令字的不同字段中。這種格式能夠有效地壓縮程序中操作碼的平均長(zhǎng)度，在字長(zhǎng)較短的微型機(jī)上廣泛采用。,5.2.2 指令操作碼的擴(kuò)展技術(shù),顯然，操作碼長(zhǎng)度不固定將增加指令譯碼和分析的難度，使控制器的設(shè)計(jì)復(fù)雜化，因此對(duì)操作碼的編碼至關(guān)重要。通常是在指令字中用一個(gè)固定長(zhǎng)度的字段來(lái)表示基本操作碼，而對(duì)于一部分不需要某個(gè)地址碼的指令，則把它們的操作碼擴(kuò)展到該地址字段，這樣，既能充分地利用指令字的各個(gè)字段，又能在不增加指令長(zhǎng)度的情況下擴(kuò)展操作碼的長(zhǎng)度，使它可以表示更多的指令。例如，設(shè)某機(jī)器的指令長(zhǎng)度為16位，包括4位基本操作碼字段和3個(gè)4位地址字段，其格式如圖5-1所示。,圖5-1 指令格式,5.2.2 指令操作碼的擴(kuò)展技術(shù),(1)15條三地址指令的操作碼由4位基本操作碼給出，范圍為00001110，剩下一個(gè)碼點(diǎn)1111用于把操作碼擴(kuò)展到A1，即從4位擴(kuò)展到8位。 (2)15條二地址指令的操作碼由擴(kuò)展后的8位操作碼給出，范圍為1111000011111110，剩下一個(gè)碼點(diǎn)11111111用于把操作碼擴(kuò)展到A2，即從8位擴(kuò)展到12位。 (3)15條一地址指令的操作碼由12位操作碼給出，范圍為111111110000111111111110，剩下一個(gè)碼點(diǎn)111111111111用于把操作碼擴(kuò)展到A3，即從12位擴(kuò)展到16位。 (4)16條零地址指令的操作碼使用16位，范圍為11111111111100001111111111111111。,5.2.2 指令操作碼的擴(kuò)展技術(shù),除了上述方法外，還有其他許多擴(kuò)展方法，如可以形成15條三地址指令、14條兩地址指令、31條一地址指令和16條零地址指令，共76條指令。實(shí)際上，指令操作碼是有空余的。在可變長(zhǎng)度的指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，到底使用何種擴(kuò)展方法，所要遵循的一個(gè)重要原則是，使用頻度(即指令在程序中出現(xiàn)的概率)高的指令應(yīng)分配較短的操作碼；使用頻度低的指令應(yīng)分配較長(zhǎng)的操作碼。這樣，不僅可以有效地縮短操作碼在程序中的平均長(zhǎng)度，節(jié)省存儲(chǔ)器空間，而且縮短了經(jīng)常使用的指令的譯碼時(shí)間，因而可以提高程序的運(yùn)行速度。,5.2.2 指令操作碼的擴(kuò)展技術(shù),這里特別強(qiáng)調(diào)指出，計(jì)算機(jī)中的指令操作碼總是希望有一定的規(guī)整性，否則會(huì)使硬件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜化。此外，為了便于在計(jì)算機(jī)內(nèi)存放，指令的長(zhǎng)度一般是字節(jié)的整數(shù)倍，所以操作碼與地址碼兩部分長(zhǎng)度之和就應(yīng)該是字節(jié)的整數(shù)倍，因此在考慮操作碼長(zhǎng)度時(shí)還應(yīng)考慮地址碼的要求。 由此可見(jiàn)，操作碼擴(kuò)展技術(shù)是一種重要的指令優(yōu)化技術(shù)，它可以縮短指令的平均長(zhǎng)度，減少程序的總位數(shù)以及增加指令字所能表示的操作信息。擴(kuò)展操作碼比固定操作碼譯碼復(fù)雜，使控制器的設(shè)計(jì)難度增大，也需要更多的硬件來(lái)支持。,5.2.3 指令長(zhǎng)度與字長(zhǎng)的關(guān)系,字長(zhǎng)是指計(jì)算機(jī)能直接處理的二進(jìn)制數(shù)據(jù)的位數(shù)，它與計(jì)算機(jī)的功能和用途有很大的關(guān)系，是計(jì)算機(jī)的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)。首先，字長(zhǎng)決定了計(jì)算機(jī)的運(yùn)算精度，字長(zhǎng)越長(zhǎng)，計(jì)算機(jī)的運(yùn)算精度越高，因此，高性能的計(jì)算機(jī)字長(zhǎng)較長(zhǎng)，而性能較差的計(jì)算機(jī)字長(zhǎng)相對(duì)要短。其次，地址長(zhǎng)度決定了指令直接尋址能力，若為n 位，則給出的n 位直接地址可以尋址2n字節(jié)。這對(duì)于字長(zhǎng)較短(8位或16位)的微型機(jī)來(lái)說(shuō)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了實(shí)際需要。擴(kuò)大尋址能力的方法，一是通過(guò)增加機(jī)器字長(zhǎng)來(lái)增加地址碼的長(zhǎng)度；二是采用地址擴(kuò)展技術(shù)，把存儲(chǔ)空間分成若干個(gè)段，用基地址加位移量的方法來(lái)增加地址碼的長(zhǎng)度。,5.2.3 指令長(zhǎng)度與字長(zhǎng)的關(guān)系,為了便于處理字符數(shù)據(jù)和盡可能地充分利用存儲(chǔ)空間，一般機(jī)器字長(zhǎng)都是字節(jié)長(zhǎng)度(即8位)的1、2、4或8倍，也就是8、16、32、64位。20世紀(jì)80年代的微型機(jī)的字長(zhǎng)多為8、16和32位，大中型機(jī)的字長(zhǎng)多為32位和64位，因此，一個(gè)字中可以存儲(chǔ)1、2、4或8個(gè)字符。隨著電路集成度的提高，機(jī)器字長(zhǎng)也在增長(zhǎng)，16位微機(jī)也趨于淘汰。 指令的長(zhǎng)度主要取決于操作碼的長(zhǎng)度、操作數(shù)地址的長(zhǎng)度和操作數(shù)地址的個(gè)數(shù)。由于操作碼的長(zhǎng)度、操作數(shù)地址的長(zhǎng)度及所采用的格式不同，各指令的長(zhǎng)度不是固定的，但也不是任意的。為了充分利用存儲(chǔ)空間，指令的長(zhǎng)度通常為字節(jié)的整數(shù)倍。,5.2.3 指令長(zhǎng)度與字長(zhǎng)的關(guān)系,指令的長(zhǎng)度與機(jī)器的字長(zhǎng)沒(méi)有固定關(guān)系，它既可以小于或等于機(jī)器的字長(zhǎng)，也可以大于機(jī)器字長(zhǎng)。前者稱為短格式指令，后者稱為長(zhǎng)格式指令，一條指令存放在地址連續(xù)的存儲(chǔ)單元中。在同一臺(tái)計(jì)算機(jī)中可能既有短格式指令，又有長(zhǎng)格式指令，但通常是把最常用的指令(如算術(shù)邏輯運(yùn)算指令、數(shù)據(jù)傳送指令)設(shè)計(jì)成短格式指令，以便節(jié)省存儲(chǔ)空間和提高指令的執(zhí)行速度。,5.3 數(shù)據(jù)的表示和存儲(chǔ),計(jì)算機(jī)中的基本數(shù)據(jù)有邏輯(布爾)數(shù)、定點(diǎn)數(shù)(整數(shù))、浮點(diǎn)數(shù)(實(shí)數(shù))、十進(jìn)制、字符串、數(shù)組等。對(duì)這些數(shù)據(jù)的運(yùn)算可以設(shè)置專門的指令，也可以僅設(shè)置最簡(jiǎn)單的算術(shù)邏輯運(yùn)算指令，再通過(guò)執(zhí)行程序來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)其他類型數(shù)據(jù)的處理，但后者的速度下降許多。在機(jī)器中，若設(shè)置能直接對(duì)矩陣向量數(shù)據(jù)(數(shù)組)進(jìn)行運(yùn)算的指令(增加相應(yīng)的硬件)，可以大大提高對(duì)向量(數(shù)組)的處理速度，這一般只在巨型計(jì)算機(jī)中才采用。 目前計(jì)算機(jī)所用的數(shù)據(jù)字長(zhǎng)一般為32位，而存儲(chǔ)器地址一般按字節(jié)表示，即一個(gè)存儲(chǔ)單元只能存放一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，因此一條指令通常要占用幾個(gè)存儲(chǔ)單元，使用幾個(gè)存儲(chǔ)器地址。,5.3 數(shù)據(jù)的表示和存儲(chǔ),計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)可支持對(duì)字節(jié)、半字、字、雙字的運(yùn)算，有些計(jì)算機(jī)有位處理指令。為便于硬件實(shí)現(xiàn)，一般要求多字節(jié)數(shù)據(jù)對(duì)準(zhǔn)邊界，如圖5-2(a)所示。當(dāng)所存數(shù)據(jù)不能滿足此要求時(shí)，則填充一個(gè)或多個(gè)空白字節(jié)。也有的計(jì)算機(jī)不要求對(duì)準(zhǔn)邊界，但可能增加訪問(wèn)存儲(chǔ)器次數(shù)。假如存儲(chǔ)器與運(yùn)算部件間數(shù)據(jù)通路的寬度為32位(一個(gè)字)，在不按邊界對(duì)準(zhǔn)的計(jì)算機(jī)中，訪存指令所要求存取的數(shù)據(jù)(例如一個(gè)字)可能在兩個(gè)存儲(chǔ)單元中，因此需要訪問(wèn)兩次存儲(chǔ)器，而且還要對(duì)高低字節(jié)的位置進(jìn)行調(diào)整，圖5-2(b)中的陰影部分即屬這種情況。,(a) 多字節(jié)數(shù)據(jù)對(duì)準(zhǔn)邊界,圖5-2 存儲(chǔ)器中數(shù)據(jù)的存放舉例,(b) 數(shù)據(jù)不對(duì)準(zhǔn)邊界,5.3 數(shù)據(jù)的表示和存儲(chǔ),在數(shù)據(jù)對(duì)準(zhǔn)邊界的計(jì)算機(jī)中，當(dāng)以二進(jìn)制來(lái)表示地址時(shí)，半字地址的最低位恒為零，字地址的最低兩位為零，雙字地址的最低三位為零。圖5-3為按字節(jié)編址的雙字?jǐn)?shù)據(jù)的兩種字節(jié)次序：低字節(jié)為低地址，如圖5-3(a)所示；高字節(jié)為低地址，如圖5-3(b)所示。,(a) 低字節(jié)為低地址,(b) 高字節(jié)為低地址,圖5-3 兩種字節(jié)次序,5.4 尋 址 方 式,在執(zhí)行一條指令的時(shí)候，操作數(shù)可能在運(yùn)算部件的某個(gè)寄存器中或存儲(chǔ)器中，也可能就在本指令中。正在運(yùn)行的程序總是存放在存儲(chǔ)器(內(nèi)存)中，正在執(zhí)行的指令總是在CPU內(nèi)控制器的指令寄存器中。所謂尋址方式(或編址方式)指的是確定本條指令的數(shù)據(jù)地址及下一條要執(zhí)行的指令地址的方法，它與計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)緊密相關(guān)，而且對(duì)指令格式和功能影響很大。從程序員角度看，尋址方式與匯編程序設(shè)計(jì)的關(guān)系極為密切；與高級(jí)語(yǔ)言的編譯程序設(shè)計(jì)也同樣密切。不同的計(jì)算機(jī)有不同的尋址方式，但其基本原理是相同的。有的計(jì)算機(jī)尋址種類少，因此在指令的操作碼中表示出尋址方式；而有的計(jì)算,5.4 尋 址 方 式,機(jī)采用多種尋址方式，此時(shí)在指令中專設(shè)一個(gè)字段表示一個(gè)操作數(shù)的來(lái)源或去向。這里僅介紹幾種被廣泛采用的基本尋址方式。在一些計(jì)算機(jī)中，某些尋址方式可以組合使用，從而形成更復(fù)雜的尋址方式。,5.4 尋 址 方 式,1. 直接尋址 對(duì)直接尋址方式來(lái)說(shuō)，指令的地址碼部分直接給出操作數(shù)在存儲(chǔ)器中的地址，圖5-4(a)僅給出一個(gè)操作數(shù)地址；當(dāng)有多個(gè)地址時(shí)，情況類似。直接尋址方式可以由操作碼表示出來(lái)。圖5-4(b)在指令中增加了一個(gè)尋址方式字段M，假如M為3位二進(jìn)制碼，則可表示8種尋址方式。,圖5-4 直接尋址方式,5.4 尋 址 方 式,2. 寄存器尋址 計(jì)算機(jī)的中央處理器中一般設(shè)置有一定數(shù)量的通用寄存器，用以存放操作數(shù)、操作數(shù)的地址或中間結(jié)果。假如地址碼部分給出某一通用寄存器地址，而且所需的操作數(shù)就在這一寄存器中，則稱為寄存器尋址。通用寄存器的數(shù)量一般在幾個(gè)至幾十個(gè)之間，比存儲(chǔ)單元少得多，因此地址碼短，而且對(duì)寄存器存取數(shù)據(jù)比對(duì)存儲(chǔ)器存取數(shù)據(jù)快得多，所以這種尋址方式可以縮短指令長(zhǎng)度，節(jié)省存儲(chǔ)空間，提高指令的執(zhí)行速度，因而在計(jì)算機(jī)中得到廣泛應(yīng)用。,5.4 尋 址 方 式,3. 基址尋址 基址尋址是指在計(jì)算機(jī)中設(shè)置一個(gè)專用的基址寄存器，或由指令指定一個(gè)通用寄存器作為基址寄存器。操作數(shù)的地址由基址寄存器的內(nèi)容和指令的地址碼A相加得到，如圖5-5所示。在這種情況下，地址碼A通常被稱為位移量(Disp)。也可用其他方法獲得位移量。,圖5-5 基址尋址過(guò)程,5.4 尋 址 方 式,4. 變址尋址 變址尋址的過(guò)程如圖5-6所示。指令地址碼部分給出的地址A和指定的變址寄存器R的內(nèi)容通過(guò)加法器相加，所得的和作為地址從存儲(chǔ)器中讀出所需的操作數(shù)。這是幾乎所有計(jì)算機(jī)都采用的一種尋址方式。如果計(jì)算機(jī)中還有基址寄存器，則在計(jì)算有效地址時(shí)還要加上基址寄存器內(nèi)容。,圖5-6 變址尋址過(guò)程,5.4 尋 址 方 式,5. 間接尋址 在尋址時(shí)，若根據(jù)指令的地址碼所取出的內(nèi)容是操作數(shù)的地址或指令地址，這種尋址方式就稱為間接尋址或間址。根據(jù)地址碼指的是寄存器地址還是存儲(chǔ)器地址，間接尋址又可分為寄存器間接尋址和存儲(chǔ)器間接尋址兩種方式。間接尋址有一次間址和多次間址兩種情況，大多數(shù)計(jì)算機(jī)只允許一次間址。對(duì)于存儲(chǔ)器一次間址來(lái)說(shuō)，需要訪問(wèn)兩次存儲(chǔ)器才能取得數(shù)據(jù)，第一次從存儲(chǔ)器讀出的是操作數(shù)的地址，第二次才讀出操作數(shù)。,5.4 尋 址 方 式,圖5-7(a)、(b)分別為寄存器間接尋址與存儲(chǔ)器間接尋址的操作數(shù)尋址過(guò)程。圖5-8以轉(zhuǎn)移指令JUMP為例，說(shuō)明在直接尋址和間接尋址方式下，如何確定下一條要執(zhí)行的指令地址。,(a) 寄存器間接尋址,(b) 存儲(chǔ)器間接尋址,圖5-7 間接尋址過(guò)程,(a) 直接尋址,(b) 間接尋址,圖5-8 確定JUMP指令的轉(zhuǎn)移地址,5.4 尋 址 方 式,6. 相對(duì)尋址 把程序計(jì)數(shù)器PC的內(nèi)容(即當(dāng)前正在執(zhí)行的指令地址)與地址碼部分給出的位移量(Disp)之和作為操作數(shù)的地址或轉(zhuǎn)移地址，稱為相對(duì)地址。主要用于轉(zhuǎn)移指令，執(zhí)行本條指令之后，將轉(zhuǎn)移到(PC)+Disp，(PC)表示程序計(jì)數(shù)器的內(nèi)容。相對(duì)尋址有兩個(gè)特點(diǎn)：第一，轉(zhuǎn)移地址不是固定的，它隨著PC值的變化而變化，并且總是相差一個(gè)固定值Disp，因此無(wú)論程序裝入存儲(chǔ)器的任何地方，均能正確運(yùn)行，對(duì)浮動(dòng)程序很適用。第二，位移量可正可負(fù)，通常用補(bǔ)碼表示。若位移量為n位，則這種方式的尋址范圍在到之間。,5.4 尋 址 方 式,當(dāng)前計(jì)算機(jī)的程序和數(shù)據(jù)一般是分開(kāi)存放的，程序區(qū)在程序執(zhí)行過(guò)程中不允許修改。在程序與數(shù)據(jù)分區(qū)存放的情況下，不用相對(duì)尋址方式來(lái)確定操作數(shù)地址。 7. 立即數(shù) 所需的操作數(shù)由指令的地址碼部分直接給出，就稱為立即數(shù)(或直接數(shù))尋址方式。這種方式的特點(diǎn)是，取指時(shí)操作碼和一個(gè)操作數(shù)同時(shí)被取出，不必再次訪問(wèn)存儲(chǔ)器，提高了指令的執(zhí)行速度。但是由于這一操作數(shù)是指令的一部分，不能修改，而一般情況下，指令所處理的數(shù)據(jù)都是在不斷變化的(如上條指令執(zhí)行的結(jié)果是下條指令的操作數(shù))，故這種方式只能適用于操作數(shù)固定的情況。通常用于給某一寄存器或存儲(chǔ)器單元賦初值或提供一個(gè)常數(shù)。,5.5 指 令 類 型,一臺(tái)計(jì)算機(jī)的指令系統(tǒng)通常有幾十條至幾百條指令，按其所完成的功能可分為算術(shù)邏輯運(yùn)算指令、移位操作指令、浮點(diǎn)運(yùn)算指令、十進(jìn)制運(yùn)算指令、字符串處理指令、向量運(yùn)算指令、數(shù)據(jù)傳送指令、轉(zhuǎn)移類指令、堆棧操作指令、輸入/輸出指令、特權(quán)指令。本節(jié)分別說(shuō)明各類指令的功能。,5.5 指 令 類 型,1. 算術(shù)邏輯運(yùn)算指令 一般計(jì)算機(jī)都有算術(shù)邏輯運(yùn)算指令。通常計(jì)算機(jī)具有對(duì)兩個(gè)數(shù)進(jìn)行與、或、非(求反)、異或(按位加)等操作的邏輯運(yùn)算指令。有些計(jì)算機(jī)還設(shè)置有位操作指令，如位測(cè)試(測(cè)試指定位的值)、位清除(把指定位清零)、位求反(取某位的反值)指令等。 2. 移位操作指令 移位操作指令分為算術(shù)移位、邏輯移位和循環(huán)移位3種，可以將操作數(shù)左移或右移若干位，如圖5-9所示。,圖5-9 各種移位的操作過(guò)程,5.5 指 令 類 型,3. 浮點(diǎn)運(yùn)算指令 高級(jí)語(yǔ)言中的實(shí)數(shù)(Real)經(jīng)常是先轉(zhuǎn)換成浮點(diǎn)數(shù)的形式再進(jìn)行處理。某些機(jī)器沒(méi)有設(shè)置浮點(diǎn)運(yùn)算指令而用子程序?qū)崿F(xiàn)，其速度較低。因此主要用于科學(xué)計(jì)算的計(jì)算機(jī)應(yīng)該設(shè)置浮點(diǎn)運(yùn)算指令，一般能對(duì)單精度(32位)、雙精度(64位)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。 4. 十進(jìn)制運(yùn)算指令 在人機(jī)交互作用時(shí)，輸入/輸出的數(shù)據(jù)都是以十進(jìn)制形式表示的。在某些數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中輸入/輸出的數(shù)據(jù)很多，但對(duì)數(shù)據(jù)本身的處理卻很簡(jiǎn)單。在不具有十進(jìn)制運(yùn)算指令的計(jì)算機(jī)中，首先將十進(jìn)制數(shù)轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制數(shù)，再在機(jī)器內(nèi)運(yùn)算；而后又轉(zhuǎn)換成十進(jìn)制數(shù)據(jù)輸出。在輸入/輸出頻繁的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中，設(shè)置十進(jìn)制運(yùn)算指令能提高數(shù)據(jù)處理的速度。,5.5 指 令 類 型,5. 字符串處理指令 字符串處理指令是一種非數(shù)值數(shù)據(jù)的處理指令，一般包括字符串傳送、字符串比較、字符串查詢、字符串轉(zhuǎn)換等指令。其中，字符串傳送指令所完成的操作是將數(shù)據(jù)塊從主存儲(chǔ)器的某區(qū)域傳送到另一區(qū)域；字符串比較指令所完成的操作是將一個(gè)字符串與另一個(gè)字符串逐個(gè)字符進(jìn)行比較，以確定其是否相等；字符串查詢是查找在字符串中是否含有另一指定的子串或字符；字符串轉(zhuǎn)換是指將一種數(shù)據(jù)表達(dá)形式轉(zhuǎn)換成另一種表達(dá)形式，例如從ASCII碼轉(zhuǎn)換成EBCDIC碼(擴(kuò)充的二-十進(jìn)制交換碼)。這種指令在需對(duì)大量字符串進(jìn)行各種處理的文字編輯和排版方面非常有用。,5.5 指 令 類 型,6. 數(shù)據(jù)傳送指令 數(shù)據(jù)傳遞指令用以實(shí)現(xiàn)寄存器與寄存器、寄存器與存儲(chǔ)器單元、存儲(chǔ)器單元與存儲(chǔ)器單元之間的數(shù)據(jù)傳送。對(duì)于存儲(chǔ)器來(lái)講，數(shù)據(jù)傳送包括了對(duì)數(shù)據(jù)的讀(相當(dāng)于取數(shù)指令)或?qū)?相當(dāng)于存數(shù)指令)操作。數(shù)據(jù)傳送時(shí)，數(shù)據(jù)從源地址傳送到目的地址，而源地址中的數(shù)據(jù)保持不變，因此實(shí)際上是數(shù)據(jù)復(fù)制。 7. 轉(zhuǎn)移類指令 轉(zhuǎn)移類指令用以控制程序流的轉(zhuǎn)移。在大多數(shù)情況下，計(jì)算機(jī)是按順序方式執(zhí)行程序的，但是也經(jīng)常會(huì)遇到離開(kāi)原來(lái)的順序轉(zhuǎn)移到另一段程序或循環(huán)執(zhí)行某段程序的情況。,5.5 指 令 類 型,按轉(zhuǎn)移的性質(zhì)，轉(zhuǎn)移指令分為無(wú)條件轉(zhuǎn)移、條件轉(zhuǎn)移、過(guò)程調(diào)用與返回、陷阱(Trap)等幾種。 1)無(wú)條件轉(zhuǎn)移與條件轉(zhuǎn)移 2)調(diào)用指令與返回指令 3)陷阱與陷阱指令 8.堆棧及堆棧操作指令 堆棧(Stack)是由若干個(gè)連續(xù)存儲(chǔ)單元組成的先進(jìn)后出(FILO)存儲(chǔ)區(qū)，第一個(gè)送入堆棧中的數(shù)據(jù)存放在棧底，最近送入堆棧中的數(shù)據(jù)存放在棧頂。棧底是固定不變的，而棧頂卻是隨著數(shù)據(jù)的入棧和出棧在不斷變化。為了表示棧頂?shù)奈恢?，有一個(gè)寄存器或存儲(chǔ)器單元用于指出棧頂?shù)牡刂罚@個(gè)寄存器或存儲(chǔ)器單元就稱為堆棧指針SP(Stack Pointer)。任何堆棧操作只能在棧頂進(jìn)行。,5.5 指 令 類 型,壓入指令 PUSH OPR 把OPR(長(zhǎng)度為兩個(gè)字節(jié))壓入堆棧 操作是：(SP)-2SP，OPR(SP) 彈出指令 POP OPR 彈出一個(gè)數(shù)據(jù)(長(zhǎng)度為兩個(gè)字節(jié))送OPR 操作是：(SP)OPR，(SP)+2SP 由于堆棧具有先進(jìn)后出的性質(zhì)，因而在中斷、子程序調(diào)用過(guò)程中廣泛用于保存返回地址、狀態(tài)標(biāo)志及現(xiàn)場(chǎng)信息。 堆棧還有一個(gè)重要的作用，就是用于子程序調(diào)用時(shí)參數(shù)的傳遞，特別是在不同語(yǔ)言程序之間相互調(diào)用過(guò)程中，使用堆棧來(lái)傳遞數(shù)據(jù)更加普遍。,5.5 指 令 類 型,9. 輸入/輸出(I/O)指令 計(jì)算機(jī)所處理的一切原始數(shù)據(jù)和所執(zhí)行的程序(除了固化在ROM中的以外)均來(lái)自外部設(shè)備的輸入，處理結(jié)果需要外部設(shè)備輸出。輸入/輸出指令的一般格式是OP REG A。其中，OP是操作碼，表示I/O指令。REG是寄存器名，用于指定與外部設(shè)備交換數(shù)據(jù)的CPU中的某寄存器。A是外部設(shè)備接口中的寄存器地址或設(shè)備碼，其長(zhǎng)度一般為8位或16位，可以表示25664K個(gè)設(shè)備寄存器(接口中有3類寄存器，即輸入數(shù)據(jù)寄存器、輸出數(shù)據(jù)寄存器和控制寄存器)。輸入指令用于從A地址所指定的外部設(shè)備寄存器中讀入一個(gè)數(shù)據(jù)到REG寄存器中；輸出指令剛好相反，把REG寄存器中的數(shù),5.5 指 令 類 型,據(jù)送到A地址所指定的外部設(shè)備寄存器中。此外，I/O指令還可用來(lái)發(fā)送控制命令和接收回答信號(hào)，用以控制外部設(shè)備的工作。 10. 特權(quán)指令 某些指令使用不當(dāng)會(huì)破壞系統(tǒng)或其他用戶信息，因此為了安全起見(jiàn)，這類指令只能用于操作系統(tǒng)或其他系統(tǒng)軟件，而不提供給用戶使用，稱為特權(quán)指令。 11. 其他指令 其他指令包括向量指令、多處理機(jī)指令和控制指令?？刂浦噶畎ǖ却噶?，停機(jī)指令，空操作指令，開(kāi)中斷、關(guān)中斷、置條件碼指令。,5.6 指令系統(tǒng)舉例,下面通過(guò)幾種類型計(jì)算機(jī)指令系統(tǒng)的介紹來(lái)增加認(rèn)識(shí)，這些計(jì)算機(jī)(或處理器)是Sun微系統(tǒng)公司的SPARC90(RISC)、IBM 360/370系列(CISC)、PDP 11/VAX 11(CISC)系列，Intel公司的Pentium系列(基于RISC的處理器內(nèi)核)。,5.6 指令系統(tǒng)舉例,5.6.1 SPARC的指令系統(tǒng) 5.6.2 IBM大型機(jī)指令系統(tǒng) 5.6.3 PDP 11與VAX 11基本指令格式 5.6.4 Pentium 的指令系統(tǒng),5.6.1 SPARC的指令系統(tǒng),SPARC指令字長(zhǎng)32位，有3種指令格式、6種指令類型。 1SPARC的指令類型 1)算術(shù)運(yùn)算/邏輯運(yùn)算/移位指令 加法指令4條：ADD、ADDCC、ADDX、ADDXCC。 減法指令4條：SUB、SUBCC、SUBX、SUBXCC。 檢查標(biāo)記的加法指令2條：TADDCC、TADDCCTV。 檢查標(biāo)記的減法指令2條：TSUBCC、TSUBCCTV。 邏輯運(yùn)算指令共12條：AND、ANDCC、ANDN、ANDNCC；OR、ORCC、ORN、ORNCC；XOR、XORCC、XORN、XORNCC。,5.6.1 SPARC的指令系統(tǒng),移位指令3條：SLL(邏輯左移)、SRL(邏輯右移)、SRA(算術(shù)右移)。 其他還有乘法步、SETHI、SAVE、RESTORE等。SAVE和RESTORE兩條指令分別將現(xiàn)行窗口指針減1和加1。 現(xiàn)在對(duì)4條加法指令進(jìn)行說(shuō)明。以CC結(jié)尾的加法指令表示除了進(jìn)行加法運(yùn)算以外還要根據(jù)運(yùn)算結(jié)果置狀態(tài)觸發(fā)器N、Z、V、C；X表示加進(jìn)位信號(hào)；XCC表示加進(jìn)位信號(hào)并置N、Z、V、C。 2)LOAD/STORE指令 取/存字節(jié)(LDSB/STB)、半字、字、雙字共20條指令，其中一半是特權(quán)指令。,5.6.1 SPARC的指令系統(tǒng),SPARC結(jié)構(gòu)將存儲(chǔ)器分成若干區(qū)，其中有4個(gè)區(qū)分別為用戶程序區(qū)、用戶數(shù)據(jù)區(qū)、系統(tǒng)程序區(qū)和系統(tǒng)數(shù)據(jù)區(qū)。并規(guī)定在執(zhí)行用戶程序時(shí)，只能從用戶程序區(qū)取指令，在用戶數(shù)據(jù)區(qū)存取數(shù)據(jù)；而執(zhí)行系統(tǒng)程序時(shí)則可以使用特權(quán)指令訪問(wèn)任一區(qū)。 另外還有兩條供多處理機(jī)系統(tǒng)使用的數(shù)據(jù)交換指令SWAP和讀后置字節(jié)指令LDSTUB。 3)控制轉(zhuǎn)移類指令5條。 4)讀/寫專用寄存器指令8條。 以上指令共計(jì)66條。 5)浮點(diǎn)運(yùn)算指令。 6)協(xié)處理器指令。,5.6.1 SPARC的指令系統(tǒng),由于SPARC為整數(shù)運(yùn)算部件(IU)，所以當(dāng)執(zhí)行浮點(diǎn)運(yùn)算指令或協(xié)處理器指令時(shí)，將交給浮點(diǎn)運(yùn)算器或協(xié)處理器處理，當(dāng)機(jī)器沒(méi)有配置這種部件時(shí)，將通過(guò)子程序?qū)崿F(xiàn)。 2SPARC的指令格式,格式1：CALL指令,格式2：SETHI指令和BRANCH指令,5.6.1 SPARC的指令系統(tǒng),格式3：其他指令,3. 各類指令的功能及尋址方式 下面簡(jiǎn)單介紹第一類至第四類指令。 1)算術(shù)邏輯運(yùn)算指令 功能：(rs1)OP(rs2) rd (當(dāng)i=0時(shí)) (rs1) OP Simm13 rd (當(dāng)i=1時(shí)) RISC的特點(diǎn)之一是所有參與算術(shù)邏輯運(yùn)算的數(shù)均在寄存器中。,5.6.1 SPARC的指令系統(tǒng),2)LOAD/STORE指令(取數(shù)/存數(shù)指令) 功能：LOAD指令將存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)送往rd中；STORE指令將rd的內(nèi)容送往存儲(chǔ)器中。 存儲(chǔ)器地址的計(jì)算(寄存器間接尋址方式)：當(dāng)i=0時(shí)，存儲(chǔ)器地址=(rs1)+(rs2)；當(dāng)i=1時(shí)，存儲(chǔ)器地址=(rs1)+Simm13。在RISC中，只有LOAD/STORE指令訪問(wèn)存儲(chǔ)器。 3)控制轉(zhuǎn)移類指令 控制轉(zhuǎn)移類指令用于改變PC值，SPARC有以下5種控制轉(zhuǎn)移指令。 (1)條件轉(zhuǎn)移(BRANCH)：根據(jù)指令中的Cond字段(條件碼)決定程序是否轉(zhuǎn)移。轉(zhuǎn)移地址由相對(duì)尋址方式形成。,5.6.1 SPARC的指令系統(tǒng),(2)轉(zhuǎn)移并連接(JMPL)：采用寄存器間址方式形成轉(zhuǎn)移地址，并將本條指令的地址(即PC值)保存在以rd為地址的寄存器中，以備程序返回時(shí)用。 (3)調(diào)用(CALL)：采用相對(duì)尋址方式形成轉(zhuǎn)移地址。為了擴(kuò)大尋址范圍，本條指令的操作碼只取兩位，位移量有30位。 (4)陷阱(TRAP)：采用寄存器間址方式形成轉(zhuǎn)移地址。 (5)從TRAP程序返回(RETT)：采用寄存器間址方式形成返回地址。 4)讀/寫專用寄存器指令 SPARC有4個(gè)專用寄存器(PSR、Y、WIM、TBR)，其中PSR稱為程序狀態(tài)寄存器。,5.6.2 IBM大型機(jī)指令系統(tǒng),現(xiàn)在簡(jiǎn)單介紹IBM 360/370的結(jié)構(gòu)及指令系統(tǒng)。IBM 360是32位機(jī)器，按字節(jié)尋址，支持的數(shù)據(jù)類型有字節(jié)、半字、字、雙字(雙精度實(shí)數(shù))、裝配的十進(jìn)制數(shù)(用4位二進(jìn)制碼表示一個(gè)十進(jìn)制數(shù)，一個(gè)字節(jié)放兩個(gè)十進(jìn)制數(shù)字)和未經(jīng)裝配(拆卸)的字符串(一個(gè)字節(jié)放一個(gè)字符)。機(jī)內(nèi)有16個(gè)32位通用寄存器，4個(gè)雙精度(64位)浮點(diǎn)寄存器。 IBM 360/370有5種指令格式，如圖5-10所示。,圖5-10 IBM 360/370 指令格式,5.6.2 IBM大型機(jī)指令系統(tǒng),(1)RR(寄存器-寄存器)格式：兩個(gè)源操作數(shù)都在寄存器中，結(jié)果放在第一個(gè)源寄存器中。 (2)RX(寄存器-變址)：第一個(gè)源操作數(shù)與結(jié)果放在同一寄存器中，第二個(gè)源操作數(shù)在存儲(chǔ)器中，其地址為(X2)+(B2)+D2，D2為12位位移量(無(wú)符號(hào))。 (3)RS(寄存器-寄存器)：R1是存放結(jié)果的目的寄存器，R3為源操作數(shù)寄存器，另一個(gè)操作數(shù)在存儲(chǔ)器中，其地址為(B2)+D2。RS與RX的區(qū)別在于RS是三地址格式，并取消了變址寄存器。 (4)SI(寄存器-立即數(shù))：將立即數(shù)imm(8位)送到存儲(chǔ)器，其地址為(B1)+D1。 (5)SS(存儲(chǔ)器-存儲(chǔ)器)：兩個(gè)操作數(shù)都在存儲(chǔ)器,5.6.2 IBM大型機(jī)指令系統(tǒng),中，其地址分別為(B1)+D1和(B2)+D2，(B1)+ D1還是目的地址。SS格式用于十進(jìn)制運(yùn)算與字符串處理，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度(Length)字段可定義為1個(gè)長(zhǎng)度(1256個(gè)字符)或兩個(gè)長(zhǎng)度(每一個(gè)為116個(gè)十進(jìn)制數(shù))。,5.6.3 PDP 11與VAX 11基本指令格式,VAX 11/780是DEC公司于1977年推出的VAX系列的第一個(gè)產(chǎn)品，它將PDP 11結(jié)構(gòu)從16位擴(kuò)充到32位。VAX是一種通用寄存器機(jī)器，它有16個(gè)通用寄存器，但是R14是堆棧指針，R15為程序計(jì)數(shù)器PC，是專用的，因此只有其他14個(gè)才是真正的通用寄存器。 VAX的數(shù)據(jù)類型：整數(shù)有8、16、32、64、128位5種類型，浮點(diǎn)數(shù)有32、64、128位3種表示方式。另外有8n位字符串、4n 位BCD碼，其中n為字符或數(shù)字的數(shù)量。VAX還支持固定或可變長(zhǎng)度的位串(最長(zhǎng)為32位)處理。,5.6.3 PDP 11與VAX 11基本指令格式,PDP 11是16位小型機(jī)，它有兩組通用寄存器(R0R5)，在任一時(shí)刻只有一組工作；3個(gè)硬件堆棧指示器(R6)；一個(gè)程序計(jì)數(shù)器PC(R7)。根據(jù)兼容性質(zhì)，VAX 11應(yīng)包括PDP 11的全部指令與尋址方式，即PDP11上的程序不做任何修改即可在VAX 11上運(yùn)行?，F(xiàn)以PDP 11的單操作數(shù)指令與雙操作數(shù)指令為例，對(duì)它們的指令格式與尋址方式作簡(jiǎn)單介紹。,5.6.3 PDP 11與VAX 11基本指令格式,1.單操作數(shù)指令,指令格式：,第156位表示操作碼。第50位組成一個(gè)6位的字段，既是源地址字段也是目的地址字段。第20位說(shuō)明本指令使用8個(gè)寄存器中的哪一個(gè)，第53位表示使用哪種尋址方式。其中第3位為0時(shí)表示直接尋址，第3位為1時(shí)表示間接尋址，第54位表示4種基本尋址方式。 單操作數(shù)指令有清除(CLR)、增1(INC)、減1(DEC)、求補(bǔ)(NEG)、測(cè)試(TST)等。,5.6.3 PDP 11與VAX 11基本指令格式,2.雙操作數(shù)指令,指令格式：,第1512位表示操作碼。第116位組成一個(gè)6位字段，為源地址字段(第一操作數(shù))；第50位組成另一個(gè)6位字段，既是源操作數(shù)字段(第二操作數(shù))，也是目的操作數(shù)字段。 雙操作數(shù)指令有傳送(MOV)、加(ADD)、減(SUB)、比較(CMP)、按位加(XOR)、邏輯加(BIS)等。,5.6.3 PDP 11與VAX 11基本指令格式,3. 轉(zhuǎn)移指令,指令格式：,轉(zhuǎn)移地址=PC+2位移量,4. 尋址方式 這里只講述單操作數(shù)指令與雙操作數(shù)指令的尋址方式。 1)直接尋址 表5-1列出了直接尋址的4種基本方式?，F(xiàn)以ADD指令為例，來(lái)說(shuō)明尋址方式。,表5-1 直接尋址方式,5.6.3 PDP 11與VAX 11基本指令格式,(1)ADD R2，R4,操作：R2內(nèi)容加到R4的內(nèi)容上。 例： 操 作 前 操 作 后,5.6.3 PDP 11與VAX 11基本指令格式,(2)ADD(R2)+，R4 指令代碼062204 操作：R2內(nèi)容為操作數(shù)地址，將此操作數(shù)加到R4的內(nèi)容上，然后R2的內(nèi)容加2。 例： 操作前 操作后,5.6.3 PDP 11與VAX 11基本指令格式,(3)ADD-(R3)，R0 指令代碼064300 操作：R3內(nèi)容減2后作為操作數(shù)地址，將此操作數(shù)加到R0的內(nèi)容上。 例： 操作前 操作后,5.6.3 PDP 11與VAX 11基本指令格式,(4)ADD 30(R2)，20(R5) 指令代碼066265 操作：R2內(nèi)容加30(加和是001130)作為源操作數(shù)地址，R5內(nèi)容加20(加和是002020)作為另一源操作數(shù)和目的操作數(shù)地址，兩個(gè)操作數(shù)相加后，結(jié)果(加和是000002)存放在目的地址(002020)中。 例： 操作前 操作后,5.6.3 PDP 11與VAX 11基本指令格式,2)間接尋址 表5-2列出了間接尋址的4種方式。間接尋址方式類似于相應(yīng)的直接尋址方式，這里僅舉兩例說(shuō)明。,表5-2 間接尋址方式,5.6.3 PDP 11與VAX 11基本指令格式,(1)ADD (R2)，R1 指令代碼061201 ADD R2，R1 操作前 操作后,5.6.3 PDP 11與VAX 11基本指令格式,(2)變址間接方式 ADD 1000(R2)，R1 指令代碼067201 當(dāng)PC作為通用寄存器時(shí)，表5-1和表5-2中列出的尋址方式仍適用，特別是表5-3中所列出的幾種情況有特殊的效果。,表5-3 PC作為通用寄存器的特殊尋址方式,5.6.3 PDP 11與VAX 11基本指令格式,操作前 操作后,5.6.4 Pentium 的指令系統(tǒng),Pentium 是完全的32位機(jī)。由于它是Intel公司在IBM PC上使用的8088CPU的嫡系后代，所以雖然Pentium 的性能與8088相比已不可同日而語(yǔ)，但可以完全向下兼容到8088。Intel公司的x86系列CPU采用的是CISC指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思想，指令系統(tǒng)規(guī)模很龐大，但Pentium 卻采用了一個(gè)基于RISC的處理器內(nèi)核，使用了RISC的大量特性，使Intel公司的x86系列微處理器的性能上升到一個(gè)嶄新的層次。 1Pentium 的指令格式 Pentium 的指令格式比較繁雜，最多可有6個(gè)變長(zhǎng)域，其中5個(gè)是可選的，如圖5-11所示。,圖5-11 Pentium 的指令格式,5.6.4 Pentium 的指令系統(tǒng),(1)前綴字節(jié)：前綴字節(jié)是一個(gè)額外的操作碼，它附加在指令的最前面，用于改變指令的操作。 (2)操作碼字節(jié)：操作碼的最低位用于指示操作數(shù)是字節(jié)還是字，次低位用于指示內(nèi)存地址(若需要訪問(wèn)內(nèi)存的話)是源地址還是目的地址。 (3)模式字節(jié)：模式字節(jié)包含了與操作數(shù)有關(guān)的信息。該字節(jié)可分為2位的MOD字段及兩個(gè)3位的寄存器字段REG和R/M。在某些情況下，模式字節(jié)的前3位可用做操作碼擴(kuò)展，這時(shí)操作碼的長(zhǎng)度就是11位。,5.6.4 Pentium 的指令系統(tǒng),Pentium 指令系統(tǒng)規(guī)定操作數(shù)中必須有一個(gè)是在寄存器中。模式字段MOD與R/M字段組合定義另一個(gè)操作數(shù)的尋址方式，REG字段規(guī)定了另一個(gè)操作數(shù)所在的寄存器。 從邏輯上來(lái)說(shuō)，EAX、EBX、ECX、EDX、ESI、EDI、EBP和ESP中的任意一個(gè)都可以用于源操作數(shù)寄存器和目的操作數(shù)寄存器。但是編碼規(guī)則禁止了其中的某些組合，而把它們用于特殊的目的。,5.6.4 Pentium 的指令系統(tǒng),(4)額外模式字節(jié)SIB：SIB字節(jié)定義了一個(gè)比例因子(Scale)和兩個(gè)寄存器。當(dāng)出現(xiàn)SIB字節(jié)的時(shí)候，計(jì)算操作數(shù)地址的方法是：先用變址寄存器(Index)乘上1、2、4或者8(由比例因子決定)，然后再加上基址寄存器(Base)，最后再根據(jù)MOD字節(jié)來(lái)決定是否要加上一個(gè)8位或者32位的偏移量。 (5)偏移量：偏移量字節(jié)給出了1、2或者4個(gè)字節(jié)的內(nèi)存地址。 (6)立即數(shù)：立即數(shù)字節(jié)給出了1、2或者4個(gè)字節(jié)的常量。,5.6.4 Pentium 的指令系統(tǒng),2Pentium 的尋址方式 Pentium 具有很大的地址空間，采用了段頁(yè)式存儲(chǔ)管理模式，即將內(nèi)存分為16384個(gè)段，每個(gè)段的容量為4GB，按0232-1進(jìn)行編址，地址長(zhǎng)度為32位，按照小端排序(低位地址存放在低位字節(jié))的方式存儲(chǔ)字。 Pentium配備了大量的寄存器，包括基本體系結(jié)構(gòu)寄存器、系統(tǒng)級(jí)寄存器、調(diào)試和測(cè)試寄存器、浮點(diǎn)寄存器等，其中32位的通用寄存器不僅可用于處理32位的數(shù)據(jù)，還可用于處理16位和8位數(shù)據(jù)，以滿足用戶的不同要求。,5.6.4 Pentium 的指令系統(tǒng),為了滿足向下兼容的要求，Pentium的尋址方式非常沒(méi)有規(guī)律，它支持的尋址方式包括立即尋址、直接尋址、寄存器尋址、寄存器間接尋址、變址尋址、基址加變址尋址、相對(duì)尋址和用于數(shù)組元素的特殊尋址方式。當(dāng)然，并不是所有的指令都具有所有的尋址方式，也不是所有的寄存器都能用于所有的尋址方式。表5-4給出了32位模式下的尋址方式。,表5-4 Pentium 的32位尋址方式(Mx表示x處的內(nèi)存字),5.6.4 Pentium 的指令系統(tǒng),3Pentium 的指令類型 Pentium指令系統(tǒng)包括如下指令類型：數(shù)據(jù)傳送類指令，算術(shù)運(yùn)算類指令，邏輯運(yùn)算類及位處理指令，字符串操作類指令，程序控制類指令，系統(tǒng)寄存器、表控制類指令，系統(tǒng)和Cache控制類指令，MMX(Multi-Media Extension)指令集。 由于Pentium 的指令系統(tǒng)比較龐大，這里就不具體列出了，需要時(shí)可參看有關(guān)資料。 4Pentium 的指令前綴 Pentium 的指令前綴是可以放在大多數(shù)指令之前的一個(gè)特殊字節(jié)，用于控制指令的執(zhí)行過(guò)程。例如：,5.6.4 Pentium 的指令系統(tǒng),REP 前綴表示重復(fù)執(zhí)行指令，直到ECX變成0。 REPZ 前綴表示重復(fù)執(zhí)行指令，直到條件碼Z 變?yōu)?。 REPNZ 前綴表示重復(fù)執(zhí)行指令，直到條件碼Z 變?yōu)?。 LOOK 前綴為整條指令保留總線，以允許多處理機(jī)同步。 還有一些指令前綴可以使指令運(yùn)行于16位模式或者32位模式下。這些指令前綴不僅需要指令改變操作數(shù)的長(zhǎng)度，而且需要徹底地重新定義操作數(shù)的尋址方式。,5.7 機(jī)器語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言和高級(jí)語(yǔ)言,計(jì)算機(jī)能夠直接識(shí)別并執(zhí)行的語(yǔ)言只能是一種用二進(jìn)制碼表示的、由一系列指令組成的機(jī)器語(yǔ)言。因此，對(duì)于任何一個(gè)要解決的問(wèn)題來(lái)說(shuō)，不管使用哪一種計(jì)算機(jī)語(yǔ)言(匯編語(yǔ)言或高級(jí)語(yǔ)言)描述，都必須通過(guò)翻譯程序轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的機(jī)器語(yǔ)言才能執(zhí)行。 機(jī)器語(yǔ)言存在可讀性差、不容易編程和不容易維護(hù)等許多缺陷，這就給編寫程序造成了許多困難。我們可以用預(yù)先規(guī)定的符號(hào)來(lái)分別替代二進(jìn)制碼表示的操作碼、操作數(shù)或地址，用便于記憶的符號(hào)而不是二進(jìn)制碼來(lái)編寫程序要方便得多。,5.7 機(jī)器語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言和高級(jí)語(yǔ)言,例：設(shè)有兩個(gè)8字節(jié)數(shù)已分別放在雙字變量FIRST和SECONT中。存放時(shí)，最低字節(jié)在地址最低處(例如，數(shù)據(jù)123456789ABCDEF0H在內(nèi)存中存放的順序?yàn)?F0H、0DEH、0BCH、9AH、78H、56H、34H、12H)，可用下列80386匯編程序?qū)崿F(xiàn)相加。,5.7 機(jī)器語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言和高級(jí)語(yǔ)言,MOV EAX，F(xiàn)IRST ；取第一個(gè)數(shù)的低32位到EAX ADD EAX，SECOND；與第二個(gè)數(shù)的低32位內(nèi)容相加 MOV THIRD，EAX；結(jié)果的低32位內(nèi)容存放到THIRD的低32位中 MOV EXA，F(xiàn)IRST+4；取第一個(gè)數(shù)的高32位內(nèi)容到EAX ADC EAX，SECOND+4；與第二個(gè)數(shù)高32位相加，再加上一步產(chǎn)生的進(jìn)位 MOV THIRD+4，EAX；結(jié)果送變量THIRD的高32位中,5.7 機(jī)器語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言和高級(jí)語(yǔ)言,這種用助記符來(lái)表示二進(jìn)制碼指令序列的語(yǔ)言，稱為匯編語(yǔ)言(Assembly Language)，它基本上是與機(jī)器語(yǔ)言一一對(duì)應(yīng)的。顯然，用匯編語(yǔ)言編寫的程序，計(jì)算機(jī)不能直接識(shí)別，必須將它翻譯成機(jī)器語(yǔ)言后才能執(zhí)行。翻譯過(guò)程是把用助記符表示的操作碼、操作數(shù)或地址用相應(yīng)的二進(jìn)制碼來(lái)替代，這個(gè)工作通常是由計(jì)算機(jī)執(zhí)行匯編程序(Assembler)來(lái)完成的。 用匯編語(yǔ)言編寫程序，對(duì)程序員來(lái)說(shuō)雖然比用機(jī)器語(yǔ)言方便得多，編寫的程序可讀性較好，出錯(cuò)也便于檢查和修改，但它同計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)、指令系統(tǒng)的設(shè)置關(guān)系非常密切。,5.7 機(jī)器語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言和高級(jí)語(yǔ)言,因此，匯編語(yǔ)言仍然是一種面向計(jì)算機(jī)硬件本身的語(yǔ)言，程序員用它編寫程序必須十分熟悉計(jì)算機(jī)硬件結(jié)構(gòu)的配置、指令系統(tǒng)和尋址方式，這對(duì)程序員來(lái)說(shuō)要求是很高的。同時(shí)，匯編指令的基本操作簡(jiǎn)單(主要是簡(jiǎn)單的算術(shù)/邏輯運(yùn)算和數(shù)據(jù)傳送)，描述問(wèn)題的能力差，用它編寫程序工作量大，源程序較長(zhǎng)，可讀性仍然不好。匯編語(yǔ)言依賴于計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu)和指令系統(tǒng)，而不同的機(jī)器有不同的結(jié)構(gòu)和指令，因而用它編寫的程序不能在其他類型的機(jī)器上運(yùn)行。 高級(jí)語(yǔ)言(High Level Language)FORTRAN、C、PASCAL、COBOL等就是為了克服匯編語(yǔ)言的這些缺點(diǎn)而發(fā)展起來(lái)的。高級(jí)語(yǔ)言與計(jì)算機(jī)的硬件結(jié)構(gòu),5.7 機(jī)器語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言和高級(jí)語(yǔ)言,及指令系統(tǒng)無(wú)關(guān)，因此用高級(jí)語(yǔ)言編寫程序，無(wú)須考慮機(jī)器字長(zhǎng)、寄存器、狀態(tài)、尋址方式和內(nèi)存單元地址等，因而比使用匯編語(yǔ)言容易得多。高級(jí)語(yǔ)言的表達(dá)方式比較接近于自然語(yǔ)言，描述問(wèn)題的能力強(qiáng)，通用性、可讀性和可維護(hù)性都很好。 顯然，就編寫程序來(lái)說(shuō)，高級(jí)語(yǔ)言比匯編語(yǔ)言優(yōu)越得多，但它并非完美無(wú)缺，它存在的顯著缺點(diǎn)是：用高級(jí)語(yǔ)言編寫的程序，必須翻譯成機(jī)器語(yǔ)言才能執(zhí)行，這一工作通常是由計(jì)算機(jī)執(zhí)行編譯程序來(lái)完成的。由于編譯過(guò)程既復(fù)雜又死板，翻譯出來(lái)的機(jī)器語(yǔ)言程序非常冗長(zhǎng)，如果讓有經(jīng)驗(yàn)的程序員用匯編語(yǔ)言來(lái)編寫同樣功能的程序，至少可以節(jié)省2/3的內(nèi)存空間，速度則要快一倍以上。由于高級(jí)語(yǔ)言,5.7 機(jī)器語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言和高級(jí)語(yǔ)言,程序看不見(jiàn)機(jī)器的硬件結(jié)構(gòu)，因而不能用它來(lái)編寫需要訪問(wèn)機(jī)器硬件資源的系統(tǒng)軟件或設(shè)備控制軟件。 為了克服高級(jí)語(yǔ)言不能直接訪問(wèn)機(jī)器硬件資源(如某個(gè)寄存器或存儲(chǔ)單元)的缺陷，一些高級(jí)語(yǔ)言(如C、PASCAL、FORTRAN等)提供了與匯編語(yǔ)言之間的調(diào)用接口。用匯編語(yǔ)言編寫的程序，可作為高級(jí)語(yǔ)言的一個(gè)外部過(guò)程或函數(shù)，利用堆棧來(lái)傳遞參數(shù)或參數(shù)的地址(如何傳遞參數(shù)與高級(jí)語(yǔ)言的版本有關(guān))。兩者的源程序通過(guò)編譯或匯編生成目標(biāo)(OBJ)文件后，再利用連接程序(LINKER)把它們連接成可執(zhí)行文件，便可在機(jī)器上運(yùn)行。采用這種方法，用高級(jí)語(yǔ)言編寫程序時(shí)，若要使用機(jī)器的硬件資源，則可調(diào)用匯編程序來(lái)實(shí)現(xiàn)。,5.7 機(jī)器語(yǔ)言、匯編語(yǔ)言和高級(jí)語(yǔ)言,匯編語(yǔ)言和高級(jí)語(yǔ)言各有其特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。匯編語(yǔ)言與機(jī)器硬件關(guān)系密切，用它編寫的程序緊湊、占內(nèi)存小、速度快，特別適合于編寫經(jīng)常與硬件打交道的系統(tǒng)軟件；而高級(jí)語(yǔ)言不涉及機(jī)器的硬件結(jié)構(gòu)，通用性強(qiáng)，編寫程序容易，特別適合于編寫與硬件沒(méi)有直接關(guān)系的應(yīng)用軟件。,