机器指令系统课件.ppt

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1、机器指令系统课件 制作: 钱光明,主要内容:1 1、基本概念； 2、指令格式; 3、寻址方式; 4、相关重要硬件（PC、 PSW、及堆栈）; 5、典型指令系统；,1. 基本概念 指令：要计算机执行的某种操作命令。 指令系统：一般指一台计算机中所有机器指令 的集合。 它是机器硬件设计的依据，也是软件设计的基础。是硬件和软件间的界面。 系列计算机：ARM, IBM，PDP-11，VAX-11，Intel CISC-复杂指令系统计算机 RISC-精简指令系统计算机 注: 本章下面谈到的指令均指机器指令.,考研真题*： （2009年）17、下列有关RISC的叙述中，错误的是 A . RISC普遍采用微

2、程序控制器 B. RISC大多数指令在一个时钟周期内完成 C. RISC的内部通用寄存器数量相对CISC多 D. RISC的指令数、寻址方式和指令格式种类相对CISC少.,一个指令系统一般应考虑： 1）.完备性：指令丰富，功能齐全，使用方便。 2）.有效性：程序占空间小，执行速度快。 3）.规整性：对称性，匀齐性，指令格式和数据格式的一 致性。 4）.兼容性： “向上兼容”-系列机中低档机上运行的软件可以在高档机上运行。,三星S3C2440指令举例: LDR R0, R1, #4; R0 (R1)+4 ADD R0, R0，#0x11; R0 (R0)+0x11 注意重要硬件-寄存器。,麓芯1

3、号指令举例: MOV R0, R1; (R0)R1 000110 10 000 10 001 ADD R0, R1; (R0)+ (R1) R1 000111 10 000 10 001 注意重要硬件-寄存器。,2. 指令格式 表示一条指令的机器字，称为指令字，简称指令。 它以二进制代码存往指令寄存器(重要硬件)。 指令字的组成： 操作码(OPCODE)+地址码(Address code) 和/或称操作数(OPERAND) 指令字的长度：定长 或变长 2.1操作码(OP)-操作的性质 1）指令系统中的每条指令都要对应一个操作码; 2）OP的位数取决于指令系统的规模;,2.2 地址码(Addre

4、ss code)和/或操作数 1） 按地址的数目可分为: 三地址指令 OP A1 A2 A3 (A1)OP(A2) A3 二地址指令 OP A1 A2 (A1)OP(A2) A1 一地址指令 OP A (AC)OP(A) AC 注意重要硬件AC 零地址指令 OP 只有OP，无地址码。如停机，空操作，堆栈指令等。 2）从操作数的物理位置分: 访问内存 访问寄存器 访问内存和寄存器型,为什么一般少设计三地址指令？,2.3 指令格式举例 1）.PDP-11指令格式 单字长格式 10 3 3 寻址方式 寄存器号 4 3 3 3 3 源操作数 目的操作数 2）. 8088/8086指令格式（略）,3.

5、寻址方式(Addressing Mode) 所谓寻址方式，就是寻找指令或操作数的有效地址 的方式。 3.1 指令的寻址方式 1）顺序寻址 程序指令在主存中顺序存放； 执行时逐条取出并逐条执行； CPU中必须有一个程序计数器PC（或指令指针IP）， 每执行一条指令，PC加 1（或2或一个其它固定值），以指出下条指令的地址。 注意重要硬件PC。,指令顺序寻址过程： 程序（指令）内存：,101,100,PC：,100,：,+1,：,2）跳跃寻址 当程序中出现分支或循环时，就会改变程序的执行顺序。下条指令的地址由指令本身给出。,3.2 操作数的寻址方式 形成操作数有效地址的方法。 单地址: 操作码 特

6、征码 形式地址 双地址: 操作码 特征码1 形式地址1 特征码2 形式地址2 机型不同,寻址方式各异.,地址码的构成: X, D,OP,X1,D1,X2,D2,1）立即寻址 地址码字段不是操作数的地址， 而是操作数本身。 例1：8086机 MOV AX, 2038H ；2038HAX 例2：PDP-11机 ADD #200, R0 ；（R0）+200 R0 注意重要硬件: 通用寄存器,2）寄存器（直接）寻址(Register Addressing) 操作数在CPU的内部寄存器中。 例1：8086机 MOV AX, BX； AX(BX) INC AX; AX(AX)+1 例2：PDP-11机 M

7、OV R1, R0 ；（R1）R0 INC R1; （R1)+1R1,3）（存储器）直接寻址(Direct Addressing) 由地址码字段直接给出操作数在内存中的地址。 一般形式举例： E=D,编码举例: X=00 立即寻址 X=01 寄存器寻址 X=10 直接寻址 X=11 间接寻址,4）. 间接寻址(Indirect Addressing),D是操作数地址的地址 E=(D) （存储器）间接寻址举例：,（寄存器）间接寻址举例： PDP-11指令: ADD (R0), R1; (R0)+(R1)R1,5）. 相对寻址(Relative Addressing),D加(PC) 作为操作数的地

8、址.,PC,6）.变址寻址(Index Addressing),一个特殊寄存器R，称为变址寄存器. R,OP,X4,200,3000,操作数,R,3200,7）.基值寻址(Base Addressing),与变址类似. 基值 (变址)寻址的主要作用: 扩大寻址能力;-基值寻址 实现程序和数据的浮动; -基值寻址 易于用循环程序处理数组问题; -变址寻址 变址与基值寻址的不同之处*: 基值寻址: (多由OS提供)基值R提供基准量,指令提供位移量; 变址寻址: (多由用户提供)变址R提供修改量,指令提供基准量.,8）.复合寻址(Composite Addressing),将间址、相对、变址和基值等

9、组合. 变址间址举例：先变址,后间址.,R,考研真题*： （2009年）16、某计算机的字长16位，主存按字节编址，转移指令采用相对寻址，由两个字节组成，第一字节为操作码字段，第一字节为相对位移量字段。假定取指令时，每取一个字节PC自动加1。若某转移指令所在主存地址为2000H，相对位移量字段的内容为06H，则该转移指令成功以后的目标地址是 A2006H B. 2007H C. 2008H D. 2009H.,4. 堆栈及程序状态字PSW,4.1堆栈-存放程序运行轨迹的特殊单元区. 一组专门的寄存器.或是一块专门的内存区. 特点:后进先出。 下面只讲存储器堆栈: 用一部分主存空间专作堆栈. 优

10、点: a.长度可随意; b.堆栈的数目可随意指定; c.寻址简单-用访内指令.,重要硬件支持: SP(stack pointer)-堆栈指示器(栈指针),CPU中一个专门寄存器. SP的内容是栈顶的单元地址，改变SP的内容即可移动栈顶的位置. 注意:主存中某一部分作为堆栈区后,该部分不能作其它用途.,一种堆栈方式： 进栈举例： PUSH R; (R)(SP)，(SP)-1SP,R,出栈举例： POP R; (SP)+1SP ，(SP) R,R,另一种堆栈方式： 8086 堆栈指令 例：PUSH AX 分两次完成：(SP) 1 SP,(AH) (SP); (SP) 1 SP, (AL) (SP)

11、; POP AX 分两次完成：(SP) AL , (SP) +1 SP; (SP) AH , (SP) +1 SP;,进栈举例： PUSH AX;,108,107,106,108,SP,AX,1234,出栈举例： POP AX;,AX,SP,108,107,106,12,34,106,偶数地址表示举例：,本机型(80X86)SP始终指向“满”单元。,关于堆栈要注意两点： 是“向下增长”还是“向上增长”； SP是指向“满”单元还是指向“空”单元。,4.2.程序状态字PSW(Program Status Word) 状态条件寄存器(PSW程序状态字):存放机器和程序运行的当前状态. 以8086为例

12、: 8086 标志寄存器FR(Flag Register) O 溢出 D 方向 I 中断允许 T 追踪 S 符号 Z 零 A 辅助进位 P 奇偶 C 进位,以PDP-11为例: C；产生进位或借位时，C置为1，否则置0；Carry V：运算产生溢出时，V置为1，否则置0；Overflow Z：运算结果为零时，Z置为1，否则置0；Zero N：运算结果为负时，N置为1，否则置0；Negative T：跟踪标志位，程序调试时用来设置断点； 57位：这3位反映现行程序的优先级别。,5. 典型指令系统 5.1 8088/8086 1）.数据传送类 取数 MOV AX，TEMP 存数 MOV TEMP，

13、AX 传送 MOV AX，CX 2）.算术运算类 ADD，ADC， SUB， INC，DEC, MUL，DIV等. 求补 NEG，比较 CMP等. 3）.逻辑运算类 NOT，AND，OR，XOR等.,注意次序是从“右”到“左”,4）.移位指令-（下页有例子*） 算术移位、逻辑移位（及循环移位）。SHR SAR ROR RCR 5）.程序控制类 无条件转移 JMP; 转子程序 JSR 条件转移 JNZ JNC JZ JC 子程序返回 RET 中断返回 IRET 6）.输入/输出类 IN AX，n OUT n, AX 7）.其他类 标志操作：CLC（clear carry flag) STC (s

14、et carry flag) CLI (clear interrupt elable flag) HLT，WAIT等,注意PDP-11无IN和OUT指令,移位指令举例*： 例1：MOV CL, 5; 设定移位次数 SAR DI, CL; 算术右移 设指令执行前:(DS)=0F800H, (DI)=180AH, (0F980A)=0064H. 则指令执行后:(0F980A)=0003H，CF=0. 例2：MOV CL, 2; 设定移位次数 SHL SI, CL; 逻辑左移 设指令执行前: (SI)=1450H. 则指令执行后: (SI)=5140H ，CF=0.,5.2 PDP-11指令 常见英

15、文缩写: BNE: Branch Not Equal BEQ: Branch on Equal BPL: Branch on Plus BMI: Branch on Minus BGT: Branch on Greater BLT: Branch on Less Than Zero BR: Branch RTS: Return from Subroutine,注意传数次序是从左到“右”,PDP-11程序段举例* R0 =%0 ；0赋值给R0 R1 =%1 R2 =%2 R3 =%3 ；循环变量 =500 DATA：WORD A, B, C, D, S START：MOV #3, R3 MOV #DATA, R0 ；开始AR1 MOV（R0+, R1 M： ASL R1 ；开始第一次A*10 MOV R1, R2 ； R1 R2 ASL R1 ASL R1 ADD R2, R1 ； ADD（R0）+, R1 ；A*10+B DEC R3 BNE M MOV R1,（R0） ；放结果 HALT END START,注意传数次序是从左到“右”,