计算机硬件基础——第五章：指令系统(一）

指令系统设计

指令格式

• 表示一条指令的二进制代码形式

• 操作码：规定了操作的类型

  • 定长操作码

    • 所有指令的操作码长度相同

    • 特点

      • 编码方式简单，
      • 简化硬件设计
      • 减少指令的译码事件
      • n位操作码只有2^n种不同指令，不便新增

  • 变长操作码

    • 指令的操作码位数不相同

    • 特点

      • 可压缩操作码的平均长度
      • 可通过增加操作码的长度新增指令
      • 控制器的设计相对复杂
      • 指令的译码时间也较长

• 地址码：规定了操作的数据所存放的地址

  • 零地址指令

    • 特点：只有操作码，而无操作数

    • 例如

      • 不需要操作数

        • 空操作指令 NOP、停机指令 HLT

      • 操作数隐含

        • 串传送指令MOVSB

  • 一地址指令

    • 特点：只有一个操作数

    • 例如

      • 只有一个操作数：既是源操作数又是目的操作数

        • 增量指令 INC BX

      • 操作数隐含

        • 乘法指令 MUL BX

  • 二地址指令

    • 特点：有两个操作数，是常用格式

    • 例如

      • MOV AX，BX

  • 三地址指令

    • 特点：有三个操作数

      • 指令吗较长
      • 既耗费存储空间
      • 又增加取指令的时间

  • 多地址指令

    • 特点

      • 有三个以上的操作数
      • 指令码长
      • 在某些性能好的大中型机中采用

• 指令字长

  • 由操作码和地址码两部分组成的一串二进制数码的位数
  • 可以是固定的，也可以是变长的
  • 指令字长应于计算机的字长相匹配，一般是整数倍
  • 指令字长等于机器字长的指令称为单字长指令，一次读取即可

指令类型

寻址方式

• 寻址就是通过地址访问指令和数据

• 指令寻址

  • 顺序寻址

    • 遵循冯诺依曼设计思想，顺序执行。
    • PC自动增量指向下一条指令

  • 跳转寻址：遇到程序分支等情况

    • 相对寻址

      • 指令代码提供目标地址相对于当前指令地址的位移量

      • 转移到的目标地址就是当前指令地址加上位移量

      • 特点

        • 当同一程序被操作系统安排到不同的存储区域执行时，指令间的位移并没有改变
        • 给操作系统的灵活调度提供了很大方便

    • 直接寻址

      • 指令代码直接提供目标地址

    • 间接寻址

      • 指令代码指出寄存器或存储单元地址
      • 目标地址来自寄存器或存储单元中的内容

• 数据寻址

  • 有效地址和形式地址

    • 指令中给出的地址叫形式地址
    • 由形式地址结合某些规则计算得到有效地址
    • 处理器通过有效地址转换为物理地址访问存储单元

  • IA-32处理器编程

    • 存储器地址使用包含段选择器和偏移地址的逻辑地址

  • 80X86寻址方式类型

    • 立即数寻址

      • 操作数紧跟在操作码之后，作为指令机器代码的一部分

      • 随着处理器的取指操作从主存进入指令寄存器

      • 例如

        • 数据传输指令 MOV AX，1234H

      • 可以是8、16位，需要满足低对抵，高对高

      • 立即数只能是源，不能是目的

      • 常用来给寄存器和存储单元赋值

    • 寄存器寻址

      • 指令的操作数存放在寄存器中

      • 例如

        • 数据传输指令 MOV AX ， BX

      • 操作数即可以是源，也可以是目的

      • 任何CPU的通用寄存器都可以作为该寻址方式的操作数

      • 无需访问存储器，执行速度快

      • 功能

        • 指令执行后，源操作数不变，目的操作数为源的内容

    • 存储器直接寻址

      • 操作数在主存单元中，指令代码中直接给出操作数有效地址
      • 直接寻址方式的段超越
      • 有效地址EA以变量名的方式给出

    • 寄存器间接寻址

      • 有效地址存放在寄存器中

      • 规定

        • 在8086指令系统中

          • 只有BX，BP，SI，DI可作为间址寄存器（32位的不受限）

        • 若以 DI，SI，BX间接寻址，则默认操作数在数据段DS中

        • 若以BP间接寻址，则默认操作数在堆栈段SS中

        • 若操作数不在以上规定段内，则在指令中加段超越前缀

    • 寄存器相对寻址

      • 有效地址是寄存器内容与位移量之和
      • 规定–同寄存器间接寻址

    • 基址加变址寻址

      • 操作数的有效地址

        • 基址寄存器（BX或BP）的内容加上 变址寄存器（SI或DI）的内容构成

      • 规定

        • 只有BX，BP，SI，DI可用作基址加变址寄存器

          • 同组内的寄存器不能同时出现
          • 例如 ：MOV AX,[BX + BP ],出现了两个基址寄存器

        • 当使用基址寄存器BX时，默认段寄存器DS

        • 当使用基址寄存器BP时，默认段寄存器SS

    • 相对基址加变址寻址

      • 操作数的有效地址

        • 基址寄存器（BX或BP）的内容加上 变址寄存器（SI或DI）的内容再加上位移量构成

    • 带比例的变址寻址

      • 在32位的寻址方式中，支持变址寄存器内容乘以一个常数（可取1、2、4、8）

数据形式