计算机硬件基础——第五章：指令系统（二）

指令

要求计算机执行特定操作的命令，是程序员智慧计算机工作的最小单位

指令系统

一台计算机全部指令的集合

也称为计算机指令集

80X86 CPU的常用指令

逻辑运算指令

用来对字或字节按位进行逻辑运算

逻辑与AND 指令

• 指令格式 AND dest，src

• 指令功能

  • 按位进行逻辑与

    • 有0为0，全1为1

  • 结果返回目的操作数

  • 设置CF=OF = 0

  • 影响SF，ZF，PF

  • 可用于复位一些位，但不影响其他位

    • 要置零的和“0”与
    • 维持不变的位和“1”与

逻辑或OR指令

• 指令格式

  • OR dest，src

• 指令功能

  • 按位进行逻辑或

    • 有1为1，全0为0

  • 结果返回目的操作数

  • 设置CF =OF= 0

  • 影响SF，ZF，PF

  • 可用于置位一些位，但不影响其他位

    • 要置1的为与“1”或
    • 维持不变的位与“0”或

逻辑非NOT 指令

• 指令格式

  • NOT reg/mem

• 指令功能

  • 按位进行逻辑非

    • 全部取反

  • 结果返回目的操作数

  • 不影响标志位

逻辑异或XOR 指令

• 指令格式

  • XOR dest，src

• 指令功能

  • 按位进行逻辑异或

    • 同为1，不同为0

  • 结果返回目的操作数

  • 设置CF =OF =0

  • 影响SF，ZF，PF

  • 可用于求反某些位，而不影响其他位

    • 要求反的和“1”异或
    • 维持不变的位和“0”

逻辑测试TEST指令

• 指令格式

  • TEST dest，src

• 指令功能

  • 按位进行逻辑与
  • 结果不返回目的操作数
  • 设置CF =OF = 0
  • 影响SF，ZF，PF

程序控制指令

控制程序的走向，实质是设法改变当前CS和IP的值

控制转移指令的特点

• 段内转移

  • 目标地址在当前代码段内，指令值修改IP

• 段间转移

  • 目标地址在其他代码段内，指令同时修改IP和CS

• 可实现三种范围的跳转

  • 短转移 short

    • 段内转移，相对偏移量为1个字节
    • 取值范围：-128~+127

  • 近转移 near

    • 段内转移，相对偏移量为1个字
    • 取值范围：-32768~+32767

  • 远转移 far

    • 段间转移，目标地址与正常顺序的IP值不在同一个代码段内

无条件转移指令

• 无条件转移到指定的地址去执行该地址开始的指令

• 不影响标志位

• 段内直接转移

  • 指令格式

    • JMP short label（8位）
    • JMP near ptr label（16位）

  • 指令功能

    • 程序转向的有效地址等于当前IP寄存器内容加上位移量

• 段内间接转移

  • 指令格式

    • JMP R16/M16

  • 指令功能

    • 将一个16位寄存器或主存单元内容送入IP寄存器，作为新的指令指针

• 段间直接转移

  • 指令格式

    • JMP far ptr label

  • 指令功能

    • 标号所在段的短地址值作为新的CS值
    • 标号在该段内的偏移地址作为新的IP地址

• 段间间接转移

  • 指令格式

    • JMP far ptr mem

  • 指令功能

    • 转移目标地址存放在主存中连续的两个字单元中
    • 其中低位字送IP寄存器
    • 高位字送CS寄存器

有条件转移指令

• 满足条件才转移

• 对标志位均无影响

• 单标志位转移指令

• 无符号数的条件转移指令

• 有符号数的条件转移指令

• 测试CX条件转移指令

循环指令

• 以CX寄存器作为计数指针

• 每循环一次，CS-1

• 当CX减至0，停止循环

• 不影响标志位，属于段内短转移

• 无条件循环指令

  • JCXZ label

    • CX = 0 ，循环
    • 否则顺序执行

  • LOOP label

    • CX<——CX-1
    • CX ! = 0 循环，否则顺序执行

• 条件循环指令

  • LOOPPZ/LOOPPE label

    • CX<——CX-1
    • 若CX！= 0 且 ZF= 1循环，否则顺序执行

  • LOOPNZ/LOOPNE label

    • CX<——CX-1
    • 若CX！= 0 且 ZF= 0 循环，否则顺序执行

子程序调用和返回指令

• 调用指令CALL
• 返回指令RET

数据传送指令

功能

• 把数据从一个位置传送到另一个位置

通用数据传送指令

• MOV指令

  • 指令格式：MOV dest src

  • 指令功能：dest <——src

    • 将数据有源位置传送至目的位置
    • 源操作数不变，不影响标志位

  • 对操作数的规定

    • src和dest的数据类型要一致

    • 否则要用PTR指明类型

    • 关系图

      • 立即数不能作为目的操作数
      • CS不能作为目的操作数
      • 段寄存器之间不能相互传送
      • 存储器之间不能相互传送
      • 立即数不能给段寄存器传送

    • 错误示范

• XCHG指令

  • 指令格式： XCHG reg , reg/mem

  • 指令功能: dest <——>src

    • 将寄存器或存储器中的内容与目的寄存器中的内容互相交换。
    • 不影响状态标志位

  • 对操作数的规定

    • src和dest的数据类型要一致
    • 两个存储器操作数之间不能时间直接交换
    • 段寄存器和立即数不能作为操作数

堆栈操作指令

• 先进后出的主存区域

• 使用SS段寄存器存放段地址

• 两种基本操作

  • 数据压进堆栈PUSH
  • 数据弹出堆栈POP

• 使用SP指明当前栈顶

  • 数据进入堆栈，SP减小
  • 数据弹出堆栈，SP增加

• 进栈指令PUSH

  • 指令格式： PUSH r16/m16/seg

  • 指令功能

    • SP<——SP -2
    • SS :[SP ]<——r16/m16/seg
    • 先将SP减2作为当前栈顶
    • 然后将源操作数（通用寄存器和段寄存器内容或存储器操作数）传送到当前栈顶

• 出栈指令POP

  • 指令格式 POP r16/m16/seg

  • 指令功能

    • r16/m16/seg<——SS :[SP ]
    • SP<——SP+2
    • 先将栈顶数据传送到目的操作数（通用寄存器，存储单元或段寄存器（CS除外））
    • 然后堆栈指针SP+2

标志传送类指令

• 标志寄存器传送

  • 用来传送标志寄存器的内容

• 标志位操作

  • 用来对CF，DF，IF三个标志位进行设置

    • 进位标志CF清零：CLC
    • 进位标志CF置1：STC
    • 进位标志CF取反：CMC
    • 方向标志DF清零：CLD
    • 方向标志DF置1：STD
    • 禁止可屏蔽中断IF：CLI
    • 允许可屏蔽中断IF：STI

地址传送类指令

输入输出指令

• 用于完成输入/输出端口与累加器（AL/AX）之间的数据传送

• 输入指令

  • 将外设数据传送至CPU

  • 指令格式

    • IN AL，I8

      • 字节输入，AL<——I/O端口I8

    • IN AX，I8

      • 字输入，AL<——I/O端口I8，AH<——I/O端口I8+1

    • IN AL，DX

      • 字节输入，AL<——I/O端口[DX]，DX 中存放端口号

    • IN AX，DX

      • 字输入，AL<——I/O端口[DX]，AH<——I/O端口[DX+1]

• 输出质量

  • 将CPU数据传送至外设

  • 指令格式

    • OUT I8 ，AL

      • 字节输出，I/O端口I8<——AL

    • OUT I8 ，AX

      • 字输出，I/O端口I8<——AL ，I/O端口I8+1<——AH

    • OUT DX ，AL

      • 字节输出，I/O端口[DX]<——AL

    • OUT DX ，AX

      • 字输出，I/O端口[DX]<——AL ，I/O端口[DX+1]<——AH

算数运算指令

加法指令

• 不带进位ADD

  • 指令格式

    • ADD reg，imm/reg/mem
    • ADD mem，imm/reg

  • 指令功能

    • 将源操作数与目的操作数相加
    • 结果送药目的操作数
    • 该指令影响标志位：CF、AF、PF、SF、OF和ZF

• 带进位ADC

  • 指令格式

    • ADC reg ，imm/reg/eme
    • ADC mem，imm/reg

  • 指令功能

    • 源操作数与目的操作数相加
    • 再与进位CF相加
    • 结果送到目的操作数
    • 影响标志位：CF、AF、PF、SF、OF、ZF
    • 主要用于与ADD指令相结合实现多字节数相加

• 增量指令INC

  • 指令格式

    • INC reg/mem

  • 指令功能

    • 将目的操作数的内容加1,
    • 将结果送回到目的操作数
    • 影响标志位AF、PF、SF、OF、ZF
    • 不影响CF

减法指令

• 不带借位减法指令SUB

  • 指令格式

    • SUB reg，imm/reg/mem
    • SUB mem，imm/reg

  • 指令功能

    • 目的操作数与源操作数相减
    • 结果送到目的操作数
    • 影响标志位CF、AF、PF、SF、OF、ZF

• 带借位减法指令SBB

  • 指令格式

    • SBB reg，imm/reg/mem
    • SBB mem，imm/reg

  • 指令功能

    • 目的操作数与源操作数相减
    • 再与CF相减
    • 结果送到目的操作数
    • 影响标志位CF、AF、PF、SF、OF、ZF
    • 主要用于与SUB指令结合实现多倍字长数相减

• 减量指令DEC

  • 指令格式

    • DEC reg/mem

  • 指令功能

    • 目的操作数的内容减
    • 结果送回目的操作数
    • 影响AF、PF、SF、OF、ZF
    • 不影响CF

• 求补指令NEG

  • 指令格式

    • NEG reg/mem

  • 指令功能

    • 将目的操作数求补运算
    • 结果送回目的操作数
    • 实际上是，用0减去操作数，结果送回
    • 影响标志位CF、AF、PF、SF、OF、ZF

• 比较指令CMP

  • 指令格式

    • CMP reg，imm/reg/mem
    • CMP mem，imm/reg

  • 指令功能

    • 将目的操作数减去源操作数

    • 结果不送回

    • 影响标志位CF、AF、PF、SF、OF、ZF

    • 用于比较两个操作数的大小关系

      • 通过ZF的值判断两个数是否相等

      • 通过CF的值来判断两个无符号数的大小

      • 通过OF和SF的变化来判断两个有符号数的大小

        • OF = SF 目的操作数大
        • OF！=SF 目的操作数小

乘法指令

• 用来实现两个二进制数的相乘运算

• 无符号数乘法指令MUL

  • 指令格式

    • MUL R8/M8
    • MUL R16/M16

  • 指令功能

    • AX<——AL*SRC
    • DX，AX<——AX*SRC
    • 其中被乘数隐含在AL（或AX）中
    • 运算结果要保存在AX（或DX和AX）中

  • 如果结果的高半部分（字节操作的AH或字操作的DX）

    • 不为零，表明其内容是结果的有效位，CF = 1，OF= 1
    • 为零 否则为零
    • 其余状态标志无定义

• 有符号数乘法指令IMUL

  • 指令格式

    • IMUL R8/M8
    • IMUL R16/M16

  • 指令功能

    • AX<——AL*SRC

    • DX，AX<——AX*SRC

    • 被乘数隐含在AL（或AX）中

    • 运算结果要保存在AX（或DX和AX）

    • 只有CF，OF有定义

    • 结果的高半部分（字节操作的AH或字操作的DX）

      • 是底半部分的符号扩展

        • CF = 0 OF = 0

      • 否则CF = 1 OF = 1

    • 符号扩展

      • 不改变数值大小和符号的情况下
      • 仅将其位数由字节变为字
      • 或者由字变为双字

除法指令

• 无符号数除法指令DIV

  • 指令格式

    • DIV R8/M8
    • DIV R16/M16

  • 指令功能

    • AL<——商 AH<——余数
    • AX<——商 DX <——余数
    • 被除数隐含在AX（或DX和AX）中
    • 运算结果要保存在AX（DX和AX）中

  • 对标志位没有定义，但是却可能产生溢出

    • 除数为0,
    • 字节除时商超过位
    • 字除时商超过位
    • 会产生编号为0的内部中断

  • 无符号数除法

    • 有符号数除法