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第8章 指令系统 本章系统地介绍计算机中指令系统的基本知识，要求学生掌握对指令系统的一般要求，指令格式设计，寻址方式，典型指令等内容。 重点提示： 指令格式 常见指令的种类和功能 指令和数据的寻址方式 RISC技术 8-1 重点难点指导 8-1-1 指令系统的发展与性能要求 指令：指令就是要计算机执行某种操作的命令。 指令系统：一台计算机中所有机器指令的集合，称为这台计算机的指令系统。 指令系统是表征一台计算机性能的重要因素，它的格式与功能不仅直接影响到机器的硬件结构，而且也直接影响到系统软件，影响到机器的适用范围。 系列机：是指基本指令系统相同、基本体系结构相同的一系列计算机。推出的机种指令系统一定包含所有旧机种的全部指令。 一个完善的指令系统应满足如下四方面的要求： 完备性：汇编浯言编写各种程序时，指令系统直接提供的指令足够使用，而不必用软件来实现。 有效性：指利用该指令系统所编写的程序能够高效率地运行。 规整性： 对称性：在指令系统中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：一种操作性质的指令可以支持各种数据类型； 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的关系，以方便处理和存取。 兼容性：各机种上基本软件可以通用。 计算机语言发展的历史：机器语言→汇编语言→高级语言。 机器语言、汇编语言依赖于特定计算机的硬件结构和指令系统，因此被称为与硬件相关的语言，也被称为低级语言。 高级语言更贴近于数学语言和自然语言，与计算机的硬件结构及指令系统无关，在编写程序方面比汇编语言优越。 8-1-2 机器指令的设计要素 指令的设计要素取决与其需求，一条机器指令需要提供的信息主要有： 操作码（Operation Code） 源操作数地址（Source Operand Reference） 目的操作数地址（Result Operand Reference） 下一条指令的地址（Next Instruction Reference） 大多数CPU的是以下一指令地址为隐含的（由程序计数器得到），源操作数和结果操作数存放位置包括： 主存或虚存 CPU寄存器 I/O设备 机器指令格式，是机器指令用二进制代码表示的结构形式，通常由操作码字段和地址码字段组成。操作码字段表征指令的操作特性与功能，而地址码字段通常指定参与操作的操作数的地址。 计算机指令最主要的元素是操作码，它指明即将完成的操作、源操作数和目的操作数的引用方式，以及通常隐式指明下一个指令的引用方式。操作码采用编码形式表示，CPU中有专门的电路来解释每个操作码。 常用的指令格式中地址码有：三地址、二地址、单地址和零地址几种形式。 从操作数的物理位置来说，又可归结为3种类型： 存储器—存储器（SS）型指令 寄存器—寄存器（RR）型指令 寄存器—存储器（RS）型指令 指令字长：一个指令字中包含二进制代码的位数，称为指令字长。常见指令字长有：单字长、半字长、双字长。 使用多字长指令的目的：提供足够的地址位来解决访问内存任何单元的寻址问题。使用多字长指令的一个主要缺点是必须两次或多次访问内存以取出一整条指令。 等长指令字结构：在一个指令系统中，如果各种指令字长是相等的，称为等长指令字结构。 变长指令字结构：如果各种指令字长随指令功能而异，比如有的指令是单字长指令，有的指令是双字长指令，就称为变长指令字结构。 在指令集设计的最根本出发点中，最重要的方面包括有： 操作指令表（Operation Repertoire）：应提供多少和什么样的操作，操作的复杂程度； 数据类型（Data Types）：所支持的数据类型； 指令格式（Instruction Format）：指令的（位）长度、地址数目、各个字段的大小等； 寄存器（Registers）：能被指令访问的CPU寄存器数目以及它们的用途； 寻址方式（Addressing Mode）：指定操作数地址的产生方式。 8-1-3 指令和操作数的寻址方式 寻址方式：形成操作数或指令地址的方式，称为寻址方式。 寻址方式主要分为两类： 指令的寻址方式：较为简单，种类少； 操作数的寻址方式：较复杂，种类多，很灵活。 寻址方式的作用：增强指令的功能，缩短指令的长度，提高指令的执行速度，增加操作数存放的位置的灵活性等。 指令的寻址方式： 顺序寻址方式：通过程序计数器； 跳跃寻址方式：通过跳转指令。 形成操作数的有效地址的方法、称为操作数的寻址方式。 有效地址（EA）：操作数的真正存储位置。 形式地址（A）：也称偏移量，它是指令字结构中给定的地址量。 寻址过程就是把操作数的形式地址（A），变换为操作数的有效地址（EA）的过程。 常用的寻址方式有： 隐含寻址 立即寻址 直接寻址 间接寻址 寄存器寻址 寄存器间接寻址 相对寻址 基址