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计算机组成原理4.1 指令系统

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白中英《计算机组成原理》(第5版)笔记和课后习题详解复习答案

白中英《计算机组成原理》(第5版)笔记和课后习题详解复习答案

白中英《计算机组成原理》（第5版）笔记和课后习题详解完整版>精研学习网>无偿试用20％资料
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第1章计算机系统概论
1.1复习笔记
1.2课后习题详解
第2章运算方法和运算器
2.1复习笔记
2.2课后习题详解
第3章多层次的存储器
3.1复习笔记
3.2课后习题详解
第4章指令系统
4.1复习笔记
4.2课后习题详解
第5章中央处理器
5.1复习笔记
5.2课后习题详解
第6章总线系统
6.1复习笔记
6.2课后习题详解
第7章外存与I/O设备
7.1复习笔记
7.2课后习题详解
第8章输入输出系统
8.1复习笔记
8.2课后习题详解
第9章并行组织与结构
9.1复习笔记
9.2课后习题详解
第10章课程教学实验设计
第11章课程综合设计。

《计算机组成原理》教程第4章指令系统

《计算机组成原理》教程第4章指令系统


4
二 指令的格式
即指令字用二进制代码表示的结构形式
包括 操作码：操作的性质 操作码 地址码：操作数（operand）的存储位置,即参加操作的 operand , 地址码 数据的地址和结果数的地址
操作码域（op） 地址码域（addr）
5
1.操作码 操作码
指令的操作码表示该指令应进行什么性质的操作。 组成操作码字段的位数一般取决于计算机指令系统的 规模。 固定长度操作码：便于译码，扩展性差 . 可变长度操作码：能缩短指令平均长度 操作码的的位数决定了所能表示的操作数,n位操 作码最多表示2n种操作
(2)． 堆栈工作过程 ．
（一）进栈操作 ① 建立堆栈，由指令把栈顶地址送入SP，指针 指向栈顶。 ② 进栈：(A)→Msp, (sp)-1→SP ；Msp:存储 器的栈顶单元 （二）出栈操作 （SP）+1→SP, (Msp)→A
22
五.指令类型
一个较完善的指令系统应当包括: 数据传送类指令： 例）move、load、store等 算术运算类指令： 例）add、sub、mult、div、comp等 移位操作类指令： 例） shl，shr，srl，srr 逻辑运算类指令： 例）and、or、xor、not等 程序控制类指令： 例）jump、branch、jsr、ret、int等 输入输出指令： 例）in、out等 字符串类指令： 例）如alpha中cmpbge、inswh、extbl等 系统控制类指令： 例）push、pop、test等
18
10) *段寻址方式 段寻址方式 Intel 8086 CPU中采用了段寻址方式（基址寻址的特例）。 由16位段寄存器和16位偏移量产生20位物理地址 11)*自动变址寻址 自动变址寻址 指在变址方式中,每经过一次变址运算时,都自动改变变址寄存 器的内容,以后在PDP-11中详讲.
计算机原理 第四章指令系统

计算机原理 第四章指令系统


4. 寄存器间接寻址方式
指令给出寄存器号，寄存器中存放着操作数的地址。
优点：寄存器的位数 较长（一般为机器字 长），足以访问整个 内存空间，这样既有 效地压缩了指令长度， 又解决了寻址空间太 小的问题。
主存单元 例： ADD (R1)，(R2) R0 1000H 1000H 3A00H
R1
2C00H＋ 3B00H → 3000H单元 R2
计 算 机 组 成 原 理
指令扩展举例 1
16位指令字 三地址指令范围 xxxx
0000 1110 1111 1111 1111 1111 1111 1111
xxxx xxxx xxxx
A1 A1 0000 1110 1111 1111 1111 1111 A2 A2 A1 A1 0000 1110 1111 1111 A3 A3 A2 A2 A1 A1 0000 1111
２．变长操作码，定长指令码。
操作码长度不固定，但指令码的长度固定。这种设计当操作码变 长时，地址码就缩短（地址个数变少），但指令字总长不变。 〔例〕 设某机器的指令长度为16位，包括基本操作码4位和三个 地址字段，每个地址字段长4位，其格式为： 15 14 13 12 OP 11 10 9 8 AD1 7 6 5 4 AD2 3 2 AD3 1 0
第四章
§4.1 指令格式
指令系统
（Ｐ148）
§4.2
寻址方式
§4.3 指令类型 §4.4 § 4.5 CISC和RISC 实验模型机的指令系统汇总表
§4.1 指令格式
计算机指令是计算机硬件能够识别并直接执行的操作命令，又称为 机器指令。
一、指令格式
一条指令应包括两方面的信息：操作码信息和地址码信息。 操作码OP 地址码AD
计算机组成原理-指令系统

计算机组成原理-指令系统


一地址指令格式： OP10扩bi展t 6bit A 6bit 设为Z 剩余(24-X)26-Z
零地址指令格式： OP16bit ∴Z= (24-X)26- Y 2-6
扩展6bit Y种 ((24-X)26-Z) 26=Y
操作码扩展技术
鲁东大学 LUDONG UNIVERSITY
EX2.机器指令长度为16位，地址码长度为6位，包含单地址 指令，双地址指令和无地址指令，试问单地址指令最多有 多少条？此时双地址指令和无地址指令各多少条？
鲁东大学 LUDONG UNIVERSITY
强调:操作码扩展技术思考方向
EX2:假设指令字长16位，操作数的地址码为必6须位是，操指作令码有增零长地方址向、
一地址、二地址三种格式。要求：
(1) 设操作码固定，若零地址有P种，一地址指令有Q种，则二 地址最多有多少对种定？长操作码指令格式，应满足最长地址码要求
指令格式-操作码字段
变长操作码指令系统 鲁东大学 LUDONG UNIVERSITY
--随着地址码长度的变化，操作码长度变化 --特点：与定长刚好相反
常用技术： 操作码扩展技术★
OP 4b A1 A2 A3
三地址指令格式
0000 … 1110
三地址指令15条
OP 4b A1 A2
1111 0…000 1110
用于零地址指令扩展的编码最少为1个
指令格式-地址码字段
鲁东大学 LUDONG UNIVERSITY
2.指令的一般格式
分析指令地址码类型
地址码
OP A1 A2 A3 A4
作用：用于指明操作数的地址； ① 四地址指令 ② 三地址指令 ③ 二地址指令 ④ 一地址指令 ⑤ 零地址指令
计算机组成原理-第4章_指令系统

计算机组成原理-第4章_指令系统


7. 段寻址方式(Segment Addressing)
方法：E由段寄存器的内容加上段内偏移地址而形成。
应用：微型机采用段寻址方式，20位物理地址为16位 段地址左移四位加上16位偏移量。
分类：① 段内直接寻址； ② 段内间接寻址； ③ 段间直接寻址； ④ 段间间接寻址；
9 堆栈寻址方式
堆栈：是一组能存入和取出数据的暂时存储单元。
*** 指令字长度
概念 指令字长度（一个指令字包含二进制代码的位数） 机器字长：计算机能直接处理的二进制数据的位数。 单字长指令 半字长指令 双字长指令
多字长指令的优缺点
优点提供足够的地址位来解决访问内存任何单元的寻址问题 ； 缺点必须两次或多次访问内存以取出一整条指令，降低了CPU的运 算速度，又占用了更多的存储空间。
*** 指令系统的发展与性能要求
*** 指令系统的发展
指令：即机器指令，要计算机执行某种操作的命令。
指令划分：微指令、机器指令和宏指令。
简单
复杂
指令系统：一台计算机中所有指令的集合；是表征
计算机性能的重要因素。
系列计算机：基本指令系统相同、基本体系结构相同 的一系列计算机。
*** 对指令系统性能的要求
（2）立即数只能作为源操作数，立即寻址主要用来给寄存 器或存储器赋初值。以A～F开头的数字出现在指令中时，前 面要加0。
（3）速度快（操作数直接在指令中，不需要运行总线周期）
（4）立即数作为指令操作码的一部分与操作码一起放在代 码段区域中。
（5）指令的长度（翻译成机器语言后）较长，灵活性较差。
【例】MOV AX， 10H 执行后（AX）=？ 其中：这是一条字操作指令，源操作数为立即寻址 方式，立即数为0010H，存放在指令的下两个单元。
计算机组成原理-第4章 指令系统

计算机组成原理-第4章 指令系统


0000 0001
AA11
AA22
AA33
…
…
…
…
1110 A1 A2 A3
1111 0000 1111 0001
AA22
AA33
…
…
…
…
1111 1110 A1 1111
0000 0001
AA33
…
…
…
…
1111 1111 1110 A3
1111 1111 1111 0000 1111 1111 1111 0001
操作码字段
地址码字段
•操作码：表征指令的操作特性和功能。不同指令有不 同编码。
•地址码：指定参与操作的操作数的地址。
4.2 指令格式
一、操作码设计 1、分类 • 固定长度操作码：操作码的长度固定，且集中放在指令字 的一个字段中 – 便于译码，扩展性差 • 可变长度操作码：操作码的长度可变，且分散放在指令字 的不同字段中 – 能缩短指令平均长度；指令的译码复杂
2、操作码位数的确定 1）要点：组成操作码字段的位数取决于指令系统的指令条数。 2）举例 • 指令系统8条指令8=23 3位操作码 • 指令系统32条指令32=25 5位操作码 • 指令系统2n条指令n位操作码
3） 扩展（可变长度）操作码技术
•基本思路： • 让操作数地址个数多的指令操作码 字段短些，让操作数地址个数少的 指令操作码字段长些
– 等长指令字结构：在一个指令系统中，各种指令字长度是相等的。结 构简单，取指快、译码简单
– 变长 指令字结构： …………………，…………………….不相等 结 构灵活，可提高编码效率，控制复杂
4.1指令系统的基本概念
4、指令系统：一台机器中所有机器指令的集合。它对计算机性能的影响主要体 现在三个方面： – 机器的硬件结构 – 机器的系统软件 – 机器的适用范围
计算机组成原理(白中英)第4章指令系统

计算机组成原理(白中英)第4章指令系统

计算机组成原理(白中英)第4章指令系统指令系统概述寻址方式指令系统20XX年3月15日10时45分概述指令：是指示计算机某种操作的命令。

微指令，机器指令，宏指令指令系统：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。

它决定了一台计算机硬件的主要性能和基本功能。

是硬件和软件间的界面。

系列计算机：有共同的指令集，相同的基本体系结构。

CISC和*****X年3月15日10时45分2一个完善的指令系统应满足：1.完备性：指令丰富，功能齐全，使用方便。

1.完备性：指令丰富，功能齐全，使用方便。

完备性 2.有效性程序占空间小，执行速度快。

有效性： 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，规整性：3.规整性：对称性，匀齐性，指令格式和数据格式的一致性。

据格式的一致性。

4.兼容性兼容性：4.兼容性：向上兼容”----系列机中低档机上运行“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。

的软件可以在高档机上运行。

20XX年3月15日10时45分计算机语言与硬件结构的关系高级语言的语句和用法与具体机器的指令系统无关；低级语言分机器语言和汇编语言，他们和具体机低级语言分机器语言和汇编语言，器的指令系统密切相关。

器的指令系统密切相关。

汇编语言与硬件的关系密切，编写的程序紧凑、汇编语言与硬件的关系密切，编写的程序紧凑、占内存小、速度快，占内存小、速度快，特别适合与编写经常与硬件打交道的系统软件；打交道的系统软件；而高级语言不涉及机器的硬件结构，通用性强、编写程序容易，件结构，通用性强、编写程序容易，特别适合与编写与硬件没有直接关系的应用软件。

编写与硬件没有直接关系的应用软件。

20XX年3月15日10时45分4概述机器指令的要素C C C C 操作码源操作数目的操作数下一条指令的引用指令字(简称指令)即表示一条指令的机器字。

指令字(简称指令)即表示一条指令的机器字。

计算机组成原理课程大纲

计算机组成原理课程大纲

计算机组成原理课程大纲一、课程简介计算机组成原理课程是计算机科学与技术专业的重要基础课程之一，旨在让学生全面了解计算机组成及其内部运行原理。

本课程内容涵盖计算机硬件组成、指令系统结构、处理器设计与实现、存储器层次结构、I/O系统等方面的知识，通过理论讲解与实践操作相结合的方式，培养学生的计算机系统分析、设计与优化能力。

二、课程目标1. 理解计算机系统的层次结构与组成部件，掌握计算机系统的发展历程；2. 掌握指令系统设计与硬件描述语言的基本原理与方法；3. 理解处理器的主要功能与运行原理，能够进行处理器的设计与实现；4. 理解计算机存储器层次结构、高速缓存、虚拟存储器等相关概念与技术；5. 了解计算机的I/O系统、总线结构及工作原理。

三、课程大纲与内容安排1. 第一章：引言1.1 计算机的发展历程1.2 计算机系统的层次结构1.3 计算机性能指标与评价方法2. 第二章：计算机硬件组成2.1 冯·诺依曼体系结构2.2 中央处理器（CPU）的组成与功能 2.3 存储器的层次结构与分类2.4 输入输出设备与接口控制器2.5 总线与主板3. 第三章：指令系统结构3.1 指令的格式与编码方式3.2 寻址方式与寻址模式3.3 指令的执行过程与流水线技术4. 第四章：处理器设计与实现4.1 单周期与多周期处理器设计4.2 流水线处理器设计与优化4.3 异常处理与中断机制5. 第五章：存储器层次结构5.1 存储器的分类与特性5.2 高速缓存的工作原理与替换策略5.3 虚拟存储器的概念与实现6. 第六章：I/O系统6.1 输入输出系统的基本概念与功能6.2 I/O接口与设备控制器6.3 DMA技术与中断处理四、教学方法与评估方式本课程以理论授课、实践操作、课堂讨论等形式相结合，培养学生的综合分析与解决问题的能力。

通过课堂作业、实验报告以及期末考试等方式进行综合评估，考核学生对计算机组成原理的理解与应用能力。

计算机组成原理_指令系统

计算机组成原理_指令系统

第四章 指令系统
4.1 指令系统的发展与性能要求 4.2 指令格式与 4.3 操作数类型 4.4 指令和数据的寻址方式 4.5 典型指令
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1
4.1 指令系统的发展与性能要求
1、指令在计算机系统中的地位 （1）是软件和硬件分界面的一个主要标志
– 硬件设计人员采用各种手段实现它；
– 软件设计人员则利Βιβλιοθήκη 它编制各种各样的系统软 件和应用软件
– 指令系统是表征一台计算机性能的重要因素，它的格式 与功能不仅直接影响到机器的硬件结构，而且也直接影
3
4.1 指令系统的发展与性能要求
3、发展情况 – 复杂指令系统计算机，简称CISC。但是如 此庞大的指令系统不但使计算机的研制 周期变长，难以保证正确性，不易调试 维护，而且由于采用了大量使用频率很 低的复杂指令而造成硬件资源浪费。 – 精简指令系统计算机：简称RISC，人们又 提出了便于VLSI技术实现的精简指令系统 计算机。
• Pentium数据类型(见P111表4.4)
– 常规数据类型 – 整数数据类型 – ……..
23
4.4 指令和数据的寻址方式
• 研究问题
– 确定本条指令中各操作数的地址 – 下一条指令的地址
• 寻址方式是指CPU根据指令中给出的地址码 字段寻找相应的操作数的方式，它与计算 机硬件结构紧密相关，而且对指令的格式 和功能有很大的影响。
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2、立即寻址
• 特点：在取指令时，操作码和操作数被同时取出， 不必再次访问存储器，从而提高了指令的执行速 度。 • 但是，因为操作数是指令的一部分，不能被修改； • 而且对于定 长指令格式，操作数的大小将受到指 令长度的限制，所以这种寻址方式灵活性最差 • 通常用于给某一寄存器或主存单元赋初值，或者 用于提供一个常数。
计算机组成原理知识点

计算机组成原理知识点

计算机组成原理知识点计算机组成原理知识点概述1. 引言计算机组成原理是计算机科学和工程领域的基础学科，它研究计算机系统的基本结构和工作原理。

本文档旨在概述计算机组成原理的核心知识点，为学习和理解计算机硬件提供指导。

2. 计算机系统概述2.1 计算机的定义与分类2.2 计算机的发展历程2.3 计算机系统的基本组成3. 数据的表示与处理3.1 数制与编码3.2 浮点数与定点数表示3.3 逻辑运算与逻辑电路3.4 算术运算的硬件实现4. 指令系统4.1 指令格式与指令类型4.2 指令的编码与解码4.3 控制单元的功能与设计4.4 指令流水线5. 存储系统5.1 存储器的层次结构5.2 随机存取存储器(RAM)5.3 只读存储器(ROM)5.4 缓存存储器(Cache)5.5 虚拟存储器6. 中央处理器(CPU)6.1 CPU的结构与功能6.2 时钟与同步6.3 寄存器与寄存器组6.4 算术逻辑单元(ALU)6.5 指令执行过程7. 输入/输出系统7.1 I/O接口的作用与分类7.2 轮询与中断7.3 直接内存访问(DMA)7.4 I/O设备的控制8. 总线与互连网络8.1 总线的概念与分类8.2 总线协议与通信8.3 互连网络的设计与优化9. 并行组织与高性能计算9.1 并行处理的基本概念9.2 多处理器系统9.3 向量处理器与流水线处理器9.4 高性能计算架构10. 结论本文档提供了计算机组成原理的关键知识点，为深入理解计算机硬件打下了坚实的基础。

通过掌握这些知识点，读者将能够更好地理解计算机系统的工作原理，并为进一步的学习和发展奠定基础。

请注意，本文档仅为计算机组成原理知识点的概述，每个部分都需要更深入的研究和学习才能完全理解。

此外，随着技术的发展，新的知识点和概念可能会被引入，因此持续学习是必要的。

计组第4章

计组第4章


CISC：
•复杂指令系统计算机。 •指令系统中指令数量多达几百条。
RISC：
•精简指令系统计算机。 •选取使用频率最高的简单指令，指令 条数少。
4.1.2 对指令系统性能的要求
一个完善的指令系统应满足如下 四方面的要求：
完备性 规整性
有效性
兼容性
完备性 是指用汇编语言编写各
种程序时，指令系统直接提 供的指令足够使用，而不必 用软件来实现。完备性要求 指令系统丰富、功能齐全、 使用方便。
《计算机组成原理》
第四章 指令系统
介绍几个基本概念
指令是指挥机器完成某种操作的命令。
指令系统是某台计算机能直接识别并正
确执行的所有指令的集合。
指令系统是表征一台计算机性能的重要
因素，是计算机软件与硬件的交界面。
主要内容
1. 2. 3. 4. 5. 指令系统的发展 指令的格式 寻址方式 指令的分类和功能 典型指令系统的模型
操作操作数指令操作码寄存器指令操作数寄存器直接寻址操作码存储器指令操作数直接寻址操作码操作数存储器寄存器指令存储器指令操作码操作数寄存器间接寻址存储器间接寻址操作码操作数pc指令存储器存储器寄存器指令操作码操作数变址寻址pc存储器寄存器指令操作码操作数存储器寄存器指令操作码操作数变址相对寻址间接变址寻址16位偏移量dop其中i为间接寻址标志位x为寻址模式字段d位偏移量字段
有效性是指利用该指令系统所编
写的程序能够高效率地运行。 高效率主要表现：
•
•
空间：在程序占据存储空间小；
时间：执行速度快。
规整性包括指令系统的对称性、匀齐性、
指令格式和数据格式的一致性。
• 对称性：指在指令系统中所有的寄存器 和存储器单元都可同等对待，所有的指 令都可使用各种寻址方式； • 匀齐性：指一种操作性质的指令可以支 持各种数据类型； • 指令格式和数据格式的一致性：指指令 长度和数据长度有一定的关系，以方便 处理和存取。通常都是字节的整数倍。

计算机组成原理期末复习

《计算机组成原理》1．指令、指令系统、虚拟存储器、Cache的地址映像、微命令、微指令、输入设备、输出设备、中断系统、中断隐指令、光盘、指令周期、机器周期、节拍的定义指令：指令是指计算机执行某些操作的命令。

指令系统：一台计算机所有指令的集合。

虚拟存储器：将主存储器和辅助存储器的地址空间统一编址，在硬件和系统软件的共同管理下，可以把它们看成一个单一的存储器。

cache的地址映像：在cache中，地址映像是指把主存地址空间映像到cache地址空间，也就是把存放在主存中的程序按照某种规则装入cache中，地址映像有3种方法全相联映像，直接映像，组相联映像微命令：在微程序控制的计算机中，将控制部件向执行部件发出的各种控制命令叫做微命令。

微指令：指控制存储器中的一个单元的内容，即控制字，是若干个微命令的集合。

输入设备：向计算机输入信息的外部设备称为输入设备。

输出设备：接受计算机输出信息的外部设备称为输出设备。

中断系统：是计算机实现中断功能的软、硬件总称。

中断隐指令：CPU响应中断后，经过某些操作，转去执行中断服务程序。

这些操作是由硬件直接实现的。

光盘：用光学方式读写信息的圆盘称为光盘。

指令周期：CPU每取出一条指令并执行这条指令，都要完成一系列的操作，所需要的时间通常叫做一个指令周期。

机器周期：在计算机中，为了便于管理，常把一条指令的执行过程划分为若干个阶段，每一阶段完成一个基本操作。

完成一个基本操作所需要的时间称为机器周期。

节拍：在一个机器周期内，要完成若干个微操作。

这些微操作有的时候可以同时执行，有的需要按先后次序串行执行。

因而应把一个机器周期分为若干个相等的时间段，每一个时间段对应一个电位信号，称为节拍电位信号。

2．冯·诺依曼等人提出的存储程序概念（教材P2，共3点）。

1)计算机应由运算器、存储器、控制器、输入设备、输出设备5大基本不见组成；2)计算机内部采用二进制来表示指令和数据；3)将编好的程序和原始数据事先存入存储器中，然后再启动计算机工作，这就是存储器程序的基本含义。

计算机组成原理_第四版课后习题答案(完整版)

计算机组成原理_第四版课后习题答案(完整版)计算机组成原理_第四版课后习题答案(完整版)由于题目要求按照题目的格式进行回复，因此将根据“计算机组成原理_第四版课后习题答案(完整版)”的格式进行回复。

第一章介绍计算机组成原理的重要性计算机组成原理是计算机科学中最基础的一门课程之一。

它涵盖了计算机的基本组成部分，包括处理器、存储器、输入输出设备等，并通过解析计算机的工作原理和实现方式来帮助我们理解计算机的工作方式。

第一章主要介绍了计算机组成原理的重要性和作用。

在本章中，我们将学习计算机体系结构的基本概念和术语，并了解到计算机组成原理对于学习和理解计算机硬件和软件之间的关系至关重要。

第二章计算机组成原理的基础知识第二章主要介绍计算机的基本组成部分和它们的功能。

这些组成部分包括中央处理器（CPU）、存储器、输入输出设备等。

2.1 中央处理器（CPU）中央处理器是计算机的大脑，负责执行各种计算和控制任务。

它由运算器、控制器和寄存器组成。

运算器负责进行算术和逻辑运算，控制器负责解析和执行指令，寄存器用于存储指令和数据。

2.2 存储器存储器用于存储指令和数据。

它分为主存储器（RAM）和辅助存储器（如硬盘、光盘等）。

主存储器用于临时存储正在执行的指令和数据，而辅助存储器用于长期存储数据。

2.3 输入输出设备输入输出设备用于与计算机进行交互。

常见的输入设备有键盘、鼠标，常见的输出设备有显示器、打印机等。

它们使我们能够通过输入设备将数据输入到计算机中，并通过输出设备将计算机处理的结果输出。

第三章计算机的指令和指令系统第三章主要介绍计算机的指令和指令系统。

指令是计算机中最基本的操作单位，它由操作码和操作数组成。

指令系统定义了计算机所支持的指令的集合和它们的格式。

3.1 指令和指令格式指令是计算机中最基本的操作单位，它由操作码和操作数组成。

指令格式定义了指令的布局和组织方式，常见的指令格式有累加器型、立即寻址型、间接寻址型等。

计算机组成原理第四章指令系统[一]

缺点：由于指令字的长度有限,D的位数限制了立即数 所能表示的数据范围.一般情况下用于给某一个寄存器或 存储单元赋予一个初值或提供一个常数.
例如：Intel8086 中的立即寻址指令.
MOV Ax,2000H; 将立即数2000H存入累加器AX中
2.存储器直接寻址(Memory direct addressing):指令的地
4.1 指令格式
1.指令格式
操作码 地址码
• 操作码(Operation code):指明该指令执行 什么性质的操作,不同的指令有不同的操作 码.其位数反映了机器操作种类,即机器允许 的指令条数.
• 地址码:指明操作数所在的地址(Source operand reference),结果存放的地址(Result operand reference)以及下一条指令的地址 (Next instruction reference).
• 变长指令字结构：一个指令系统中,各种指令字 长度随功能而异.CISC采用变长指令字结构. 优点:使用灵活,充分利用指令的每一位,指令平均 长度短,码点冗余少,易于扩展; 缺点:指令格式不规整,取指令时需要多次访存,从 而导致不同指令的执行时间不同,硬件控制系统 复杂.
2.地址码结构
设计指令的地址码格式时需解决：
XXXX XXXX 0000 1 1 01 1110 1110 1110 1111 1111 1111 1111
YYYY YYYY YYYY YYYY 0000 0001 1111 0000 1110 1111 1111
ZZZZ ZZZZ ZZZZ ZZZZ ZZZZ ZZZZ ZZZZ ZZZZ
ZZZZ 0000 1111
指令格式为:
设Data为操作数

计算机组成原理(第三版)第 4 章 指令系统汇编

OP D
内存
有效地址 EA=［D］； ［EA］＝ DATA； • 例如: ADD A,＠［3050H］ MOV A,＠［3050H］
… EA … DATA
EA
INFO DEPT@ZUFE HANGZHOU.CHINA
5、寄存器寻址方式 ( Register Addressing )
寄存器寻址：操作数存放于指令的操作码所规定的寄存 器中即操作数位于寄存器中，操作数所在的寄存器编号 存放在指令的REG字段中。 • →速度快、指令短，操作数在CPU中； • 指令格式：
内存
有效地址 EA=［PC或IP］+D； ［EA］＝DATA (指令)；
EA→
…
指令 …
D • 例如:JR SUB1-$
INFO DEPT@ZUFE HANGZHOU.CHINA
；
10、堆栈寻址 ( Stack Addressing )
• 操作数位于存储器中，操作数所在的存储器地址 EA由堆栈指针寄存器SP隐含指出，通常用于堆栈 指令。 • 堆栈是由若干个连续主存单元组成的先进后出（ first in last out，即FILO）存储区，第一个放 入堆栈的数据存放在栈底，最近放入的数据存放 在栈顶。栈底是固定不变的，而栈顶是随着数据 的入栈和出栈在时刻变化。栈顶的地址由堆栈指 针SP指明。 • 一般计算机中，堆栈从高地址向低地址扩展，即 栈底的地址总是大于或等于栈顶的地址，称为堆 栈向上生成；堆栈寻址主要用来暂存中断和子程 序调用时现场数据及返回地址。
OP* MOD REG CPU 寄存器组
R0 … Ri
有效地址 EA=REG； ［REG］＝ DATA； • 例如: EA→ ADD A, Ri ; MOV A, Ri ;

《计算机组成原理》教学大纲

《计算机组成原理》教学大纲一、课程基本信息课程中文名称：计算机组成原理课程英文名称：Principles of Computer Composition课程编码：课程类型：学科基础课总学时：64理论学时：52 实验学时：12学分：4适用专业：计算机类专业先修课程：数字逻辑开课院（部）：计算机科学与工程学院二、课程的性质与任务《计算机组成基础》是计算机类专业必修的一门学科基础课。

本课程介绍计算机系统的组成原理及内部工作机制，包括计算机各大部件的结构、工作原理、逻辑实现、设计方法及其互连构成计算机整机的技术，旨在使学生掌握计算机硬件各子系统的组成原理及实现技术，深刻理解程序在计算机硬件上被执行的过程，建立计算机系统的整体概念，对培养学生设计开发计算机系统的能力有重要作用。

为今后计算机网络、操作系统、计算机体系结构及专业方向课程的学习打好基础。

三、课程教学基本要求1、计算机组成原理课程的内容比较抽象，教学中需要结合实际例子进行讲授。

2、讲授比较复杂的过程，如指令周期的步骤，可以通过动画演示，帮助学生理解。

也可以结合实验，讲解数据通路。

3、要求学生课前预习，课后复习，尽量完成课后所有习题，帮助消化理解教学内容。

对于典型的习题，应该在习题课上详细讲解。

选讲一些综合性的考研试题，帮助学生开拓思路。

4、注重实验的教学效果，实验不能仅仅停留在做出结果，一定要让学生知其所以然，并且能初步进行一些设计。

四、理论教学内容和基本要求第一章计算机系统概论（一）讲授内容：1.1 计算机的分类1.2 计算机的发展简史1.3 计算机的硬件1.4 计算机的软件1.5 计算机系统的层次结构（二）基本要求：（1）了解计算机软硬件的概念，软件的分类；（2）理解计算机的系统层次结构，包括计算机硬件的基本组成(五大部件的构成)，以及计算机的基本工作过程；（3）掌握计算机的工作原理、硬件的主要技术指标。

（三）重点及难点：重点：计算机的工作原理、计算机的层次结构第二章运算方法和运算器（一）讲授内容：2.1 数据与文字的表示方法2.2 定点加法、减法运算2.3 定点乘法运算2.4 定点除法运算2.5 定点运算器的组成2.6 浮点运算方法和浮点运算器（二）基本要求：（1）掌握各种数制及其相互转换的方法、无符号数和有符号数的表示方法。

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指令系统：
一台计算机支持(或称使用)的全部指令的 集合构成该计算机的指令系统。 由于指令与计算机的性能以及硬件结构密 切相关，所以不同系列、不同型号的计算机其 指令系统是不一样的。
4.1 指令系统
指令的基本格式 指令格式的优化 寻址方式 指令系统举例
Th-union汇编语言程序设计
一、指令的格式
单字指令仅用一个指令字。
双字指令要用两个指令字, 此时第二个指 令字的内容可能是立即数、一个绝对地址或 一个变址位移量。
Th-union的机器指令 0000000000010010 0000000100010010 0000100100110000 1000100000010000 0000000001010101
Ri：通用寄存器
12 D2 12 D
Xi：变址寄存器
Bi：基址寄存器 Di：位移量 I： 立即数 L： 数据的长度
8 4 4 4 OPC Rn Rm B
8 4 4 12 OPC I2 B1 D2 8 8 4 12 OPC L B1 D1
4 B2
12 D2
定长操作码的特点
优点：有利于简化硬件设计，提高 指令译码的速度和指令执行的速度。 缺点：限制了指令系统的扩充、 不 利于缩短指令的长度，存在有很大程度 的信息冗余 。
b. 变长指令定长操作码
指令字的长度与机器字长没有固定的关系。 例：IBM360/370 指令的操作码是８位的， 指令字为16位、32位、48位。
TH-union
指令的操作码是8位的， 指令字为16位.
Th-union的指令格式
8位 操 作 码 4位 4位 目的寄存器 源寄存器 I/O 端口地址 条件转移指令的偏移量 直接数 / 内存地址 / 指令中变址偏移量
为了克服机器语言的缺点，人们采用助记 符表示机器指令的操作码，用符号代替操作数 的存放地址等，这样就形成了汇编指令。 例：机器指令： 0000011100100001
汇编指令： MVRR
R2，R1
用汇编指令编写的程序称为汇编源程序。
一条机器指令对应一条汇编指令。用汇编 指令编写程序就直观方便得多。
规定指令完成 何种功能。
表明操作数存放 的位置，以便找 到操作数完成指 令的功能。
指令的操 例如： 作码字段 Th-union的机器指令 0000000000010010 0000000100010010 0000100100110000 1000100000010000 0000000001010101
习惯，与计算机硬件无关，易被用户掌握和使
用。
例如：编程实现 123 加 456 → 求和
(1) 用Ｃ语言实现： Main () { int a, b, sum; a=123; b=456; sum=a+b
}
(2)用8086汇编语言实现： a dw 123
b dw 456
sum dw ?
add ax, b mov sum , ax mov ax, 4c00h int 21h
操作码
…
寄存器编号
例如： 0000110010001001 0111010000110000
SUB R8，R9 INC R3
• 执行阶段不访存，只访问寄存器，执行速度快。 • 寄存器个数有限，可缩短指令字长。
3)间接寻址方式
a.通过寄存器的间接寻址方式 若寄存器中存放的是操作数在内存中所在 单元的地址，这就是寄存器间接寻址方式。 ＯＰ … Reg No
1、机器指令
任何一条机器指令由一组有意义的二进制 代码构成，称为一个指令字。
0000000000010010 0000000100010010
用机器指令编写的程序是计算机惟一能够 直接识别并执行的程序，称为机器语言程序。 机器语言程序被称为目标程序(目标代码）。
机器语言的特点
机器直接执行，速度快。 缺点：与机器硬件直接相关，通用性差； 编程不直观、难以记忆、使用很不方便。
多地址指令
Th-union的机器指令 0000000000010010 0000000110001001 0000100100110000 1000100000010000 NC MOV R1，R2 R8，R9 R3 R1，0055H
a. 无地址指令(零地址指令)
第4章 指令系统和控制器部件
4.1 指令系统 4.2 控制器部件
指令：
是指示计算机执行基本操作的命令。 指令也是用户使用计算机的最小功能单 位。 从计算机组成的层次结构来说，计 算机的指令有微指令、机器指令和宏指 令之分。
微指令：是微程序级的命令，它属于硬件； 宏指令：是由苦干条机器指令组成的软件指令， 它属于软件； 机器指令：则介于微指令与宏指令之间，通常 简称为指令。每一条指令可完成一个独立的算 术运算或逻辑运算操作。 本章所讨论的指令是机器指令。
操作码
…
存储器地址 操作数 内 存 储 器
存储器地址为操作数在 存储器中的地址。或转移 指令等用到的指令地址。
例：MOV R1，[0800] 操作码 0001 不用
0000100000000000
特点是什么？ 简单直观，执行速度快。
编程不灵活，访问空间有限。
2)寄存器寻址
指令地址码字段给出某一通用寄存器的 编号(地址)，且所需的操作数就在这个寄存 器中，这就是寄存器寻址方式。
指令的操 作数字段 汇编指令 ADD R1，R2 SUB R1，R2 INC R3 MVRD R1，0055
0
0
5
5
1）操作码
在指令系统中，每一条指令都有唯一确定 的操作码。 定长操作码 分二种形式： 变长操作码
a. 定长操作码形式
在指令字中，操作码字段的位数和 位置是固定的。 早期的计算机一般采用定长操作码 的设计，控制简单，且对操作码的译码 实现容易。
c. 双地址指令
格式:
操作码 地址码1 地址码2
地址码１既是源操作数的地址，也是目 的操作数的地址。 双操作数在运算类、传送类指令中使用 较多。 ADD DR, SR
d. 多地址指令
格式１: 格式２:
操作码 地址码1 地址码2 地址码3
操作码
地址码1
地址码2
地址码3
地址码4
特点：操作完成后源操作数的内容不被破坏， 用户编程方便。严重的缺点是指令字较长。
汇编指令 ADD R1，R2 SUB R1，R2 INC R3 MVRD R1，0055
思考：
设某机型需设计 100条指令。试确定 以下两种操作码设计方案的操作码长度。
1)采用定长操作码格式。 2)采用扩展操作码法。(设10℅的指令使 用频度为90℅)
二、寻址方式
寻址方式：指的是确定本条指令的数据地址 及下一条要执行的指令地址的方法。 不同的计算机系统，使用数目和功能不 同的寻址方式，其实现的复杂程度和运行性 能也各不相同。
设计方案为：
三地址指令采用４位操作码 0000 ～ 1110 双地址指令采用８位操作码 11110000 ～ 11111110 一地址指令采用12位操作码 111111110000 ～ 111111111110 无地址指令采用16位操作码 1111111111110000 ～ 1111111111111111
～
～ ～ ～
(3地址指令15条) (2地址指令15条)
8位操 作码
12位操 作码
(1地址指令15条)
(0地址指令16条)
16位操 作码
练习： 设某机为定长指令字结构，指令长度12位， 每个地址码占３位，试提出一种方案，使该系 统包含４条三地址指令，８条二地址指令， 180 条单地址指令。 另：能否构成三地址指令４条，单地址指 令 255条，零地址指令64条呢？
3) 指令字长度
机器指令的二进制序列的位数。
定长指令变长操作码
变长指令定长操作码
a. 定长指令变长操作码
该种形式是将操作码的设计与地址码的 设计作为一个整体考虑，以形成高效合理的 指令编码。 例：某机指令系统，指令字为16位固定长， 要求有３地址指令、２地址指令、１地址指 令和０地址指令，每个地址码４位。应如何 设计？
2500 1100 ...
跳跃寻址 顺序寻址
2、数据寻址
通常需要在指令中为每一个操作数专设一个地址字 段，用来表示数据的来源或去向的地址。
在指令中给出的操作数的地址被称为形式地址，使 用形式地址信息并按一定的规则计算出来的一个数值 才是数据（或指令）的实际地址。
操作码 寻址特征 形式地址 A
约定
指令字长 = 存储字长 = 机器字长
1、指令寻址
顺序 跳跃
PC +1
( PC ) + 1
由转移指令指出
指令地址
0 1 1 2 2 3 3 4 5 6 7 7 8 8 9
PC
指令
LDA ADD DEC JMP LDA SUB INC STA LDA 1000 1001 1200 7 2000 2001 指令地址寻址方式 顺序寻址 顺序寻址 顺序寻址
Code segment assume CS: Code, DS:Data Main endp Code ends Main:mov ax,data mov ds,ax end main mov ax, a
(3)用机器语言实现： 键入代码： -e cs:100 A1 0F 01 03 06 11 01 A3 13 01 B8 00 4C CD 21 为数据分配空间： -e ds:10F 7B 00 C8 01 00 00
三种语言编写程序占用字节数
程序设计语言
高级语言( C ) 汇编语言
可执行程序占用字节数
CSUM.EXE
4330 21
机器语言
21
2. 指令的基本格式