【正文】 第三章 處理器 處理器的指令集 處理器的組成與工作過程 CISC和 RISC 80x86系列微處理器 3. 1 處理器的指令集 22:31:20 3. 1. 1 概述 人們與計算機交流所用的“詞匯”叫做“指令 (Instruction)”，所有可以采用的“詞匯”組成的集合叫做“ 指令集 (Instruction Set) ”，這些“詞匯”按照一定的順序組合就形成了 程序(Program)。 在國內(nèi)，“指令集”常稱為“指令系統(tǒng)”。 3. 1. 1 概述 22:31:20 計算機能直接識別的是由 0和 1排列而成的指令。 使用不方便。 是基于英文的機器指令助記符 匯編語言源程序 按匯編語言書寫的程序 匯編語言源程序由匯編程序 (Assembler)轉(zhuǎn)換成機器指令，供計算機接受并執(zhí)行 3. 1. 1 概述 22:31:20 匯編語言的提出是計算機技術的一大進步，體現(xiàn)了計算思維的一個重要概念 —— 抽象 。 計算機程序設計語言的發(fā)展過程就是 不斷抽象的過程。通過抽象，程序設計語言具有了更好的可編程性、可移植性、可重用性。 指令系統(tǒng)： 指令： 就是要計算機執(zhí)行某種操作的命令。 一臺計算機中所有機器指令的集合。 指令集： 數(shù)據(jù)表示 尋址方式 指令集 返回首頁 3. 1. 2 指令的操作碼與操作數(shù) 操作碼 （ Operation Code） 地址碼 （ Operand） 22:31:20 馮 諾依曼型計算機機器指令的邏輯格式 規(guī)定了指令所具有的功能 指明指令所要處理的數(shù)據(jù)。 3. 1. 2 指令的操作碼與操作數(shù) 22:31:20 一條指令中，操作數(shù)可能有一個、兩個或三個，甚至更多。 操作數(shù)的個數(shù)也可以是零，即指令沒有操作數(shù)。 在這些操作數(shù)中，作為處理單元輸入的叫 源操作數(shù) (Source Operand)，用于存放處理結果的叫 目的操作數(shù) (Destination Operand)。 指令字長決定于 操作碼的長度 指令字長 = 存儲字長 2. 指令字長 可變 操作數(shù)地址的長度 操作數(shù)地址的個數(shù) 1. 指令字長 固定 按字節(jié)的倍數(shù)變化 指令字長 ：一個指令字中包含二進制代碼的位數(shù)。 機器字長 ：計算機能直接處理的二進制數(shù)據(jù)的位數(shù)。 返回 3. 1. 2 指令的操作碼與操作數(shù) 22:31:20 :指令中所能表示的操作數(shù)數(shù)據(jù)類型 ， 即能夠被計算機硬件直接辨識的操作數(shù)數(shù)據(jù)類型 定點數(shù) （ 含有符號數(shù)和無符號數(shù) ） 、 浮點數(shù) （ 含單精度和雙精度浮點數(shù) ） 、 字符 、 邏輯數(shù) （ 又稱布爾型數(shù)據(jù) ） 。 3. 1. 2 指令的操作碼與操作數(shù) 22:31:20 “ 堆棧 (Stack)”是一個重要的數(shù)據(jù)結構，廣泛應用于子程序調(diào)用和中斷服務等領域。 原則：后進先出 (Last In First Out, LIFO) “壓入 (PUSH)” “彈出 (POP)” 返回 3. 1. 2 指令的操作碼與操作數(shù) 22:31:20 硬件堆棧 :用專門的硬件設備來實現(xiàn)的堆棧，也稱為級聯(lián)堆棧。 軟件堆棧： 為了降低硬件成本，大多數(shù)計算機（特別是微型計算機）常用軟件來實現(xiàn)堆棧，即在內(nèi)存中開辟一個堆棧區(qū)，并在處理器中設置指示堆棧棧頂單元地址的“堆棧指針寄存器(Stack Pointer, SP)”來管理這個堆棧。 3. 1. 2 指令的操作碼與操作數(shù) 22:31:20 相對于硬件堆棧，軟件堆棧有三個優(yōu)點： 1. 可以有較大的深度。 2. 可以設置多個堆棧。 3. 除了專門的堆棧指令 PUSH和 POP外，還可以使用任何訪問主存的指令來訪問堆棧中的數(shù)據(jù)。 3. 1. 2 指令的操作碼與操作數(shù) 22:31:20 只有標量數(shù)據(jù)表示和標量指令的處理器叫標量處理器 ，這是最常見、最通用的處理器。 帶有向量數(shù)據(jù)表示和向量指令的處理器叫向量處理器 ，例如我國于 20世紀 80年代研制的銀河 1超級計算機就裝備有向量處理器。 返回 3. 1. 3 尋址方式 22:31:20 (Addressing）指的是指令按照何種方式尋找或訪問到所需的操作數(shù)或信息。 尋址方式分為 指令尋址 和 數(shù)據(jù)尋址 是為了找到下一條指令 是為了找到本條指令所需的操作數(shù) 3. 1. 3 尋址方式 22:31:20 ? 分為 順序?qū)ぶ?和 跳躍尋址 兩種。 ? 順序?qū)ぶ罚好孔x取一次 PC后， PC自動加 1，指向下一條指令。 ? 跳躍尋址則是由當前指令改寫 PC的內(nèi)容，根據(jù)PC指向地址取下一條指令。 1. 指令尋址 22:31:20 LDA 1000 ADD 1001 DEC 1200 JMP 7 LDA 2022 SUB 2022 INC STA 2500 LDA 1100 ... 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 PC +1 指令地址尋址方式 指令地址 指令 順序?qū)ぶ? 順序?qū)ぶ? 順序?qū)ぶ? 跳躍尋址 順序?qū)ぶ? 3. 1. 3 尋址方式 指令尋址 22:31:20 ? 改寫 PC的指令有“ 跳轉(zhuǎn)指令 (Jump )”和“ 分支指令 (Branch )” 。 ? 這兩種指令既可直接賦予 PC一個新的值，也可在PC現(xiàn)有值的基礎上增加或減少一定數(shù)量。 返回 3. 1. 3 尋址方式 22:31:20 2. 數(shù)據(jù)尋址 立即數(shù)尋址 直接尋址 間接尋址 堆棧尋址 寄存器尋址 寄存器間接尋址 基址尋址 變址尋址 3. 1. 3 尋址方式 數(shù)據(jù)尋址 22:31:20 （ 1）立即數(shù)尋址 (Immediate Addressing) 在指令中直接給出操作數(shù)的數(shù)值。 ? 指令執(zhí)行階段不訪存 ? A 的位數(shù)限制了立即數(shù)的范圍 OP A 立即尋址特征 立即數(shù) 可正可負 補碼 形式地址 A 就是操作數(shù) 返回 3. 1. 3 尋址方式 數(shù)據(jù)尋址 22:31:20 （ 2）直接尋址 (Direct Addressing) EA = A 操作數(shù) 主存 尋址特征 LDA A A ACC ? 執(zhí)行階段訪問一次存儲器 ? A 的位數(shù)決定了該指令操作數(shù)的尋址范圍 ? 操作數(shù)的地址不易修改（必須修改 A） 有效地址由形式地址直接給出 返回 3. 1. 3 尋址方式 數(shù)據(jù)尋址 22:31:20 （ 3）間接尋址 (Indirect Addressing) EA =（ A） 有效地址由形式地址間接提供 OP A 尋址特征 A EA 主存 EA A1 EA A1 主存 EA 1 0 ? 執(zhí)行指令階段 2 次訪存 ? 可擴大尋址范圍 ? 便于編制程序 OP A 尋址特征 A 一次間址 多次間址 操作數(shù) 操作數(shù) 多次訪存 … …… 子程序 主程序 … 80 81 201 202 轉(zhuǎn) 子程序 轉(zhuǎn) 子程序 間接尋址編程舉例 (A) = 81 202 … … @ 間址特征 JMP @ A … … …… … … … …… … 返回 3. 1. 3 尋址方式 數(shù)據(jù)尋址 22:31:20 （ 4）寄存器尋址 (Register Addressing) EA = Ri ? 執(zhí)行階段不訪存，只訪問寄存器，執(zhí)行速度快 OP Ri 尋址特征 ? 寄存器個數(shù)有限，可縮短指令字長 操作數(shù) … … … … … … R0 Ri Rn 寄存器 有效地址即為寄存器編號 返回 3. 1. 3 尋址方式 數(shù)據(jù)尋址 22:31:20 （ 5）寄存器間接尋址 (Register Indirect Addressing) EA = ( Ri ) ? 有效地址在寄存器中， 操作數(shù)在存儲器中，執(zhí)行階段訪存 操作數(shù) 主存 OP Ri 尋址特征 ? 便于編制循環(huán)程序 地址 … … … … … … R0 Ri Rn 寄存器 有效地址在寄存器中 返回 3. 1. 3 尋址方式 數(shù)據(jù)尋址 22:31:20 （ 6）基址尋址 ( Base Addressing ) “ 邏輯地址 ”是程序員編寫程序時使用的地址 “ 主存物理地址 ”是程序段 /數(shù)據(jù)段在主存中的實際存放地址 程序段 /數(shù)據(jù)段每次裝入主存的起始地址是不確定的，每次運行時，某條指令或某個數(shù)據(jù)的“主存物理地址”也是不確定的 但是這條指令或這個數(shù)據(jù)的“邏輯地址”是固定的 3. 1. 3 尋址方式 數(shù)據(jù)尋址 22:31:20 （ 6）基址尋址 ( Base Addressing ) 在處理器內(nèi)部設置一個專門存放程序段 /數(shù)據(jù)段在主存中起始地址的寄存器，稱起始地址為基地址，簡稱“基址”，稱該寄存器為“基址寄存器”。 “邏輯地址”與基址寄存器中的值相加即得到指令或數(shù)據(jù)的“主存物理地址”。 指令中給出的“邏輯地址”又稱為相對于基址的“位移量”，位移量是一個有符號的整數(shù)，常用補碼表示。 (1) 采用專用寄存器作基址寄存器 EA = ( BR ) + A BR 為基址寄存器 OP A 操作數(shù) 主存 尋址特征 ALU BR ? 可擴大尋址范圍 ? 便于程序搬家 ? BR 內(nèi)容由操作系統(tǒng)或管理程序確定 ? 在程序的執(zhí)行過程中 BR 內(nèi)容不變，形式地址 A 可變 (2) 采用通用寄存器作基址寄存器 操作數(shù) 主存 尋址特征 ALU OP R0 A R0 作基址寄存器 ? 由用戶指定哪個通用寄存器作為基址寄存器 通用寄存器 R0 Rn1 R1 … ? 基址寄存器的內(nèi)容由操作系統(tǒng)確定 ? 在程序的執(zhí)行過程中 R0 內(nèi)容不變，形式地址 A 可變 返回 3. 1. 3 尋址方式 數(shù)據(jù)尋址 （ 7）變址尋址 (Indexed Addressing) EA = ( IX ) +A OP A 操作數(shù) 主存 尋址特征 ALU IX ? 可擴大尋址范圍 ? 便于處理數(shù)組問題 ? IX 的內(nèi)容由用戶給定 IX 為變址寄存器 ? 在程序的執(zhí)行過程中 IX 內(nèi)容可變，形式地址 A 不變 通用寄存器也可以作為變址寄存器 例 設數(shù)據(jù)塊首地址為 D， 求 N 個數(shù)的平均值 直接尋址 變址尋址 LDA D ADD D + 1 ADD D + 2 …… ADD D + ( N 1 ) DIV N STA ANS LDA 0 LDX 0 INX CPX N BNE M DIV N STA ANS 共 N + 2 條指令 共 8 條指令 ADD X, D M X 為變址寄存器 D 為形式地址 (X) 和 N 比較 (X) +1 X 結果不為零則轉(zhuǎn) 返回 3. 1. 3 尋址方式 數(shù)據(jù)尋址 22:31:20 （ 8）堆棧尋址 SP堆棧指針寄存器 先進后出 （一個入出口） 棧頂?shù)刂? 由 SP 指出 – 1 1FFFH +1 2022 H 進棧 （ SP） – 1 SP 出棧 （ SP） + 1 SP 棧頂 棧底 2022 H SP 2022 H … … 1FFF H SP 1FFFH 棧頂 棧底 進棧 出棧 1FFF H 棧頂 2