《机器指令系统》PPT课件.ppt

机器指令系统课件机器指令系统课件 制作制作:钱光明钱光明 主要内容主要内容:11 1、基本概念基本概念；2 2、指令格式指令格式;3 3、寻址方式寻址方式;4 4、相关、相关重要硬件重要硬件（PCPC、PSW PSW、及堆栈、及堆栈）;5 5、典型指令系统；典型指令系统；1.基本概念基本概念l指令指令：要计算机执行的某种操作命令命令。l指令系统指令系统：一般指一台计算机中所有机器机器指令 的集合。它是机器硬件设计的依据依据，也是软件设计的基础基础。是硬件和软件间的界面界面。系列计算机：ARM,IBM，PDP-11，VAX-11，Intel CISC-复杂复杂指令系统计算机 RISC-精简精简指令系统计算机注注:本章下面谈到的本章下面谈到的指令指令均指均指机器指令机器指令.考研真题*：（20092009年年）1717、下下列列有有关关RISCRISC的的叙叙述述中中，错错误误的的是是 A.RISC A.RISC普遍采用微程序控制器普遍采用微程序控制器 B.RISC B.RISC大多数指令在一个时钟周期内完成大多数指令在一个时钟周期内完成 C.RISC C.RISC的内部通用寄存器数量相对的内部通用寄存器数量相对CISCCISC多多 D.D.RISCRISC的的指指令令数数、寻寻址址方方式式和和指指令令格格式式种种类类相相对对CISCCISC少少.l一个指令系统一般应考虑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。三星三星S3C2440指令举例指令举例:LDR R0,R1,#4;R0 (R1)+4 ADD R0,R0，#0 x11;R0 (R0)+0 x11 注意重要硬件注意重要硬件-寄存器寄存器。麓芯麓芯1号号指令举例指令举例:MOV R0,R1;(R0)R1 000110 10 000 10 001 ADD R0,R1;(R0)+(R1)R1 000111 10 000 10 001注意重要硬件注意重要硬件-寄存器寄存器。2.指令格式指令格式l表示一条指令的机器字，称为表示一条指令的机器字，称为指令字指令字，简称简称指令指令。它以它以二进制代码二进制代码存往存往指令指令寄存器寄存器(重要硬件重要硬件)。l指令字指令字的组成：的组成：操作码操作码(OPCODE)+地址码地址码(Address code)和和/或或称称操作数操作数(OPERAND)l指令字指令字的长度：定长的长度：定长 或变长或变长2.1操作码操作码(OP)-操作的性质操作的性质 1）指令系统中的）指令系统中的每条每条指令都要指令都要对应一个对应一个操作码操作码;2）OP的位数取决于指令系统的规模的位数取决于指令系统的规模;2.2 地址码地址码(Address code)和和/或或操作数操作数 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:访问内存内存 访问寄存器寄存器 访问内存内存和寄存器寄存器型 为什么一般少设计三地址指令？为什么一般少设计三地址指令？2.3 指令格式举例指令格式举例 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）OPOPMODERnMODERnMODERn3.寻址方式寻址方式(Addressing Mode)所谓寻址方式，就是寻找所谓寻址方式，就是寻找指令指令或或操作数操作数的有效地址的有效地址 的方式。的方式。3.1 指令的寻址方式指令的寻址方式 1）顺序寻址）顺序寻址 程序指令在主存中顺序顺序存放；执行时逐条逐条取出并逐条执行；CPU中必须有一个程序计数器程序计数器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。注意重要硬件注意重要硬件PC。指令指令顺序寻址顺序寻址过程：程序（指令）程序（指令）内存：内存：101100PC：100：+1：2）跳跃寻址）跳跃寻址 当当程程序序中中出出现现分分支支或或循循环环时时，就就会会改改变变程程序序的的执执行行顺顺序序。下下条条指指令令的的地地址址由由指指令令本本身身给给出。出。100101102103JMP 103100PC：3.2 操作数的寻址方式操作数的寻址方式形成操作数有效地址操作数有效地址的方法。单单地址地址:操作码操作码 特征码特征码 形式地址形式地址 双双地址地址:操作码操作码 特征码特征码1 形式地址形式地址1 特征码特征码2 形式地址形式地址2 机型不同机型不同,寻址方式各异寻址方式各异.OPXD地址码的构成:X,DOPX1D1X2D21）立即寻址）立即寻址 地址码字段地址码字段不是不是操作数的地址，操作数的地址，而是而是操作数本身。操作数本身。例例1：8086机机 MOV AX,2038H；2038HAX 例例2：PDP-11机机 ADD#200,R0；（R0）+200 R0 注意重要硬件注意重要硬件:通用寄存器通用寄存器 2）寄存器（）寄存器（直接直接）寻址）寻址(Register Addressing)操作数在操作数在CPU的内部的内部寄存器寄存器中。中。例例1：8086机机 MOV AX,BX；AX(BX)INC AX;AX(AX)+1 例例2：PDP-11机机 MOV R1,R0；（R1）R0 INC R1;（R1)+1R13）（存储器）（存储器）直接寻址直接寻址(Direct Addressing)由地址码字段由地址码字段直接直接给出操作数在给出操作数在内存中的地内存中的地址址。一般形式举例：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 直接寻址直接寻址X=11 间接寻址OP X D10001000 操作数4）.间接间接寻址(Indirect Addressing)(Indirect Addressing)lD是操作数是操作数地址的地址地址的地址 E=(D)（存储器）间接寻址举例：200D8OPX2D100100200（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加加(PC)作为操作数的地址作为操作数的地址.PCX31002000F3OP21006）.变址寻址(Index Addressing)一个特殊寄存器一个特殊寄存器R，称为，称为变址寄存器变址寄存器.ROPX42003000操作数操作数R32007）.基值寻址(Base Addressing)与变址类似与变址类似.基值基值(变址变址)寻址的寻址的主要主要作用作用:扩大扩大寻址能力寻址能力;-基值寻址基值寻址 实现程序和数据的实现程序和数据的浮动浮动;-基值寻址基值寻址 易于用循环程序易于用循环程序处理数组问题处理数组问题;-变址寻址变址寻址 变址与基值寻址的不同之处变址与基值寻址的不同之处*:基值寻址基值寻址:(多由多由OS提供提供)基值R提供基准量基准量,指令提供位移量位移量;变址寻址变址寻址:(多由用户提供多由用户提供)变址R提供修改量修改量,指令提供基准基准量量.8）.复合寻址(Composite Addressing)将间址、相对、变址和基值等组合将间址、相对、变址和基值等组合.变址间址举例：变址间址举例：先先变址变址,后后间址间址.ROP X6D30005000操作数操作数3100100考研真题*：（20092009年年）1616、某某计计算算机机的的字字长长1616位位，主主存存按按字字节节编编址址，转转移移指指令令采采用用相相对对寻寻址址，由由两两个个字字节节组组成成，第第一一字字节节为为操操作作码码字字段段，第第一一字字节节为为相相对对位位移移量量字字段段。假假定定取取指指令令时时，每每取取一一个个字字节节PCPC自自动动加加1 1。若若某某转转移移指指令令所所在在主主存存地地址址为为2000H2000H，相相对对位位移移量量字字段段的的内内容容为为06H06H，则则该该转转移移指指令令成成功功以以后后的的目目标标地地址址是是A A2006H B.2007H C.2008H D.2009H.2006H B.2007H C.2008H D.2009H.4.堆栈堆栈及及程序状态字程序状态字PSW4.1堆栈堆栈-存放程序运行轨迹的特殊单元区存放程序运行轨迹的特殊单元区.一组专门的寄存器一组专门的寄存器.或是或是一块专门的一块专门的内存区内存区.特点特点:后进先出。后进先出。下面只讲下面只讲存储器堆栈存储器堆栈:用一部分主存空间用一部分主存空间专作专作堆栈堆栈.优点优点:a.长度可随意长度可随意;b.堆栈的数目可随意指定堆栈的数目可随意指定;c.寻址简单寻址简单-用访内指令用访内指令.重要硬件重要硬件支持支持:SP(stack pointer)-堆栈指示堆栈指示器器(栈指针栈指针),CPU中一个专门寄存器中一个专门寄存器.SP的内容是的内容是栈顶栈顶的单元地址，改的单元地址，改变变SP的内容即可移动栈顶的位置的内容即可移动栈顶的位置.注意注意:主存中某一部分作为堆栈区后主存中某一部分作为堆栈区后,该部分不能作其它用途该部分不能作其它用途.一种一种堆栈方式：堆栈方式：进栈进栈举例举例：PUSH R;(R)(SP)，(SP)-1SP 102101100101SPR3000RSP10210110030003000100 出栈出栈举例：举例：POP R;(SP)+1SP，(SP)R1021011001013000SPR3000RSP1021011003000100另一种另一种堆栈方式堆栈方式：8086 堆栈指令堆栈指令例：例：PUSH AX 分两次完成：分两次完成：(SP)1 SP,(AH)(SP);(SP)1 SP,(AL)(SP);POP AX 分两次完成：分两次完成：(SP)AL,(SP)+1 SP;(SP)AH,(SP)+1 SP;进栈进栈举例举例：PUSH AX;108107106108SPAX1234AXSP1081071061234123410610810710610712SPAX 1234 出栈出栈举例：举例：POP AX;1081071061071234SPAX 34AXSP10810710612341061081071061081234SPAX 1234 偶数地址表示偶数地址表示举例举例：本机型本机型(80X86)SP始终指向始终指向“满满”单单元。元。关于堆栈要注意关于堆栈要注意两点两点：是是“向向下下增长增长”还是还是“向向上上增长增长”；SP是指向是指向“满满”单元还是指向单元还是指向“空空”单元。单元。4.2.程序状态字程序状态字PSW(Program Status Word)状态条件寄存器状态条件寄存器(PSW程序状态字程序状态字):存放机器和存放机器和程序运行的当前状态程序运行的当前状态.以以8086为例为例:8086 标志寄存器标志寄存器FR(Flag Register)O 溢出溢出 D 方向 I 中断允许中断允许 T 追踪 S 符号符号 Z 零零 A 辅助进位 P 奇偶 C 进位进位 O D I T S Z A P C以以PDP-11为例为例:C；产生进位进位或借位借位时，C置为1，否则置0；CarryV：运算产生溢出溢出时，V置为1，否则置0；OverflowZ：运算结果为零时，Z置为1，否则置0；ZeroN：运算结果为负负时，N置为1，否则置0；NegativeT：跟踪跟踪标志位，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优先级别。优 先 权 T N Z V C5.典型指令系统典型指令系统5.1 8088/80861 1）.数据传送类数据传送类 取数取数 MOV AX MOV AX，TEMPTEMP 存数存数 MOV TEMP MOV TEMP，AXAX 传送传送 MOV AX MOV AX，CXCX2 2）.算术运算类算术运算类 ADD ADD，ADCADC，SUB SUB，INC INC，DEC,MULDEC,MUL，DIVDIV等等.求补求补 NEG NEG，比较，比较 CMP CMP等等.3 3）.逻辑运算类逻辑运算类 NOT NOT，ANDAND，OROR，XORXOR等等.注意次序是注意次序是从从“右右”到到“左左”4）.移位指令移位指令-（下页有例子（下页有例子*）算术移位、逻辑移位（及循环移位）。算术移位、逻辑移位（及循环移位）。SHR SAR ROR RCR5）.程序控制类程序控制类 无条件转移无条件转移 JMP;转子程序转子程序 JSR 条件转移条件转移 JNZ JNC JZ JC 子程序返回子程序返回 RET 中断返回中断返回 IRET6）.输入输入/输出类输出类 IN AX，n OUT n,AX7）.其他类其他类 标志操作：标志操作：CLC（clear carry flag)STC(set carry flag)CLI(clear interrupt elable flag)HLT，WAIT等等注意注意PDP-11无无IN和和OUT指令指令移位指令举例移位指令举例*：例例1：MOV CL,5;设定移位次数设定移位次数 SAR DI,CL;算术算术右移右移设指令执行前设指令执行前:(DS)=0F800H,(DI)=180AH,(0F980A)=0064H.则指令执行后则指令执行后:(0F980A)=0003H，CF=0.例例2：MOV CL,2;设定移位次数设定移位次数 SHL SI,CL;逻辑逻辑左移左移设指令执行前设指令执行前:(SI)=1450H.则指令执行后则指令执行后:(SI)=5140H，CF=0.5.2 PDP-11指令指令常见英文缩写常见英文缩写:BNE:Branch Not Equal BEQ:Branch on Equal BPL:Branch on PlusBMI:Branch on MinusBGT:Branch on Greater BLT:Branch on Less Than ZeroBR:Branch RTS:Return from Subroutine注意传数次序是注意传数次序是从从左到左到“右右”PDP-11程序段举例程序段举例*R0=%0 ；0赋值给赋值给R0R1=%1R2=%2R3=%3 ；循环变量循环变量=500DATA：WORD A,B,C,D,SSTART：MOV#3,R3MOV#DATA,R0 ；开始开始AR1MOV（R0+,R1M：ASL R1 ；开始第一次开始第一次A*10MOV R1,R2 ；R1 R2 ASL R1ASL R1ADD R2,R1 ；ADD（R0）+,R1 ；A*10+BDEC R3BNE MMOV R1,（R0）；放结果放结果HALTEND START 注意传数次序是注意传数次序是从左从左到到“右右”