第4章 指 令 系 统

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1、第4章指令系统本章主要内容：本章主要讲述指令系统。包括指令系统的结构、指令的格式和寻址方式等内容。还有指令系统的优化设计，包括指令操作码的优化设计和地址码的优化设计。最后介绍指令系统发展的两个方向，即CISC计算机和RISC计算机。学习时重点掌握指令系统的设计与指令系统的优化。4.1引　　言4.2指令格式4.3寻址技术4.4典型的指令系统4.5指令系统的优化设计4.1引　　言4.1.1传统计算机指令系统的设计技术传统的计算机指令系统设计时主要考虑以下几个因素:（1）计算机面向的应用领域（2）如何继承软件资产4.1.2指令系统发展的两种途径CISC和RISC1．复杂指令集计算机（CIS

2、C）CISC指令系统主要存在以下几方面的问题：（1）效率问题（2）实现问题（3）软硬件界面问题2．精简指令系统计算机（RISC）4.2指令格式指令的基本格式如下：操作码字段地址码字段其中：操作码指明了指令的操作性质及功能，地址码则给出了操作对象的地址，也就是操作数的地址。4.2.1指令字长度指令的长度是指一条指令中所包含的二进制代码的位数，它取决于操作码字段的长度、操作数地址的个数及长度。如果指令系统中所有指令的长度都是一样的，称为固定字长指令结构。如果各种指令的长度随指令的不同而有所不同，则成为变长指令字结构。4.2.2操作码每条指令都有不同于其它指令的操作码编码。操作码占用的二进

3、制位数一般取决于计算机指令系统的规模，实际上也就是与指令的条数有关。一般来讲，对于共有m条指令的指令系统，指令的操作码字段为N位，有如下关系式成立：指令操作码的编码可以分为固定长度的定长编码和长度可变的变长编码两种。（1）定长编码操作码字段的长度和位置是固定的。（2）变长编码操作码字段位数是不相同的。4.2.3地址码地址码一般用下列几种形式表示：（1）第一操作数地址，用A1表示；（2）第二操作数地址，用A2表示；（3）操作结果存放地址，用A3表示；（4）下一条将要执行的指令地址，用A4表示。如果以上四项信息在指令中显式地给出，称为显地址指令；如果这些信息采用事先的约定形式，没有在指令

4、中显式地给出，则称为隐地址指令。根据指令中包含的地址码的段数，可以将指令进行分类，下面介绍几种指令格式。（1）零地址指令在指令各式中只有操作码字段，没有地址码字段。其格式为：只有操作码字段的指令可能有两种情况，一种是本身就没有操作码，称为无操作数指令，如停机指令、空操作指令、等待指令等；另一种是操作数是按照某种约定隐含的，例如堆栈操作类指令。OP（2）一地址指令在指令格式种只包含一个显地址字段，其指令格式为：这种指令完成的功能可能有两种情况，一种是完成单操作数运算，如加1、减1等。另一种情况是双操作数。另一个操作数必须存放在事先约定的专门的寄存器中。一般这个寄存器是累加器Acc。OP

5、A1（3）二地址指令二地址指令一般是运算类指令，指令中显式地给出参加运算的两个操作数。两个操作数中往往包含一个源操作数和一个目的操作数，运算结果存放在目的操作数中。指令的格式为：OPA1A2（4）三地址指令指令中包含三个地址段，其中的两个地址段用来存放源操作数地址，第三个操作数用来存放目的操作数地址。三地址指令的格式如下：OPA3A1A2（5）四地址指令三地址指令中包含三个地址段，其中的两个地址段用来存放源操作数地址，第三个操作数用来存放目的操作数地址。三地址指令的格式如下：OPA1A2A3A44.3寻址技术4.3.1指令寻址方式1．顺序寻址方式指指令地址在内存中按顺序安排，当执行一

6、段程序时，通常是一条指令接一条指令的顺序执行。2．跳转寻址方式当程序转移执行的顺序时，指令的寻址就采取跳转寻址方式。跳转是指下一条指令的地址不是由程序计数器PC给出，而是由本条指令给出。程序跳转后，按新的指令地址开始顺序执行。4.3.2操作数寻址方式寻找操作数有效地址的方法，称为操作数的寻址方式。例如，一种单地址指令的结构如下所示，其中用X，I，D各字段组成该指令的操作数地址。操作码OP变址X间址I形式地址D操作数寻址方式常见的有以下几种。1．立即寻址指令的地址字段指出的不是操作数的地址，而是操作数本身。2．直接寻址在指令格式的地址字段中直接指出操作数在内存的地址D。3．间接寻址指令

7、地址字段中的形式地址D不是操作数的真正地址，而是操作数地址的指示器，D单元的内容才是操作数的有效地址。4．寄存器寻址方式当操作数不放在内存中，而是放在CPU的通用寄存器中时，可采用寄存器寻址方式。此时指令中给出的操作数地址不是内存的地址单元号，而是通用寄存器的编号。5．相对寻址方式相对寻址是把程序计数器PC的内容加上指令格式中的形式地址D而形成操作数的有效地址。6．基址寻址方式基址寻址方式是将CPU中基址寄存器的内容加上指令格式中的形式地址而形成操作数的有