第 5章 指令系统 指令（机器指令）：让计算机执行某种操作的命令。 指令系统：一台计算机中所有机器指令的集合。

第 5章 指令系统§5.1 指令格式 §5.2 寻址方式 §5.3 指令类型 §5.4 堆栈和堆栈存取方式 §5.5 CISC 与 RISC 指令§5.6 MMX 技术

§5.1 指令格式一、指令格式二、指令长度

一、指令格式1 、机器指令的组成： 由操作码（表示操作性质）和操作数（表示操作对象）或操作数的地址码组成。

操作码字段 OP 地址码字段 D2 、指令的基本格式：

例 :(51) ADD A, direct

25 direct

00101001 00001000

一、指令格式3 、按指令包含的地址的个数分类：

OP D1 D2 D3（ 1）三地址指令：

OP D（ 3）一地址指令：

OP D1 D2（ 2）二地址指令：

OP（ 4）零地址指令：

二、指令长度 原则：1. 指令长度应为存储器基本字长的整数倍 ： 指令长度可以固定，也可以变化。2.指令字长应尽量短： 有利于提高程序的效率，即减少所需存储量和加快运行速度。

§5.2 寻址方式 一、立即寻址二、直接寻址三、间接寻址四、寄存器 (直接 )寻址五、寄存器间接寻址六、寄存器变址寻址七、相对寻址八、基址寻址九、隐含寻址方式 十、其它寻址方式

§5.2 寻址方式 一、立即寻址： 指令直接给出操作数（立即数）本身。

例如： MOV A, #data74 data

操作码存储器地址 存储器内容8 位 立 即数n+1操作码n

下条指令n+2

存储器地址 存储器内容

n+2n+1n

立即数高 8位立即数低 8位

n+3 下条指令(a) 8 位立即数 (b) 16 位立即数图 5.1 按字节编址机器中的立即寻址指令

§5.2 寻址方式 二、直接寻址： 指令直接给出操作数地址。

操作码存储器地址 存储器内容

n+2n+1n

操作数地址高 8位 操作数地址低 8位

n+3 下条指令图 5.2 按字节编址机器中的直接寻址指令

例如： MOV A,directE5 direct

§5.2 寻址方式 三、间接寻址： 指令给出存放操作数地址的存储单元地址。

OP

操作数有效地址

主存@ 间接地址

图 5.3 单级间接寻址

§5.2 寻址方式 四、寄存器 (直接 )寻址： 操作数在指令指定的 CPU 的某个寄存器中。 优点： 1 、 CPU 寄存器数量远小于内存单元，所以寄存器号比内存地址短，因而寄存器寻址方式指令短； 2 、操作数已在 CPU 中 ,不用访存，因而指令执行速度快。

OP 寄存器号 OP 寄存器号1 寄存器号2

例如： MOV A,RnE8-EF

§5.2 寻址方式 五、寄存器间接寻址： 操作数地址在指令指定的 CPU 某个寄存器中。 例如： MOV A ， @Ri

E6,E7

§5.2 寻址方式 六、寄存器变址寻址： 指定一个 CPU 寄存器（称为变址寄存器）和一个形式地址，操作数地址是二者之和。

OP 寄存器号 形式地址 形式地址：指令的操作数地址字段不是操作数的真实地址。 例如： MOV AL ， [SI+1000H] 其中： SI 为变址寄存器， 1000 为形式地址。

+

§5.2 寻址方式

data n

data 1data 2

…

SI

形式地址图 5.4 变址寻址选择数组数据

§5.2 寻址方式 七、相对寻址： 相对寻址是把程序计数器 PC 的内容，加上由指令给出的形式地址而形成操作数地址。 相对寻址实际上是规定了操作数和指令的相对位置，因而得名。 采用相对寻址便于编制可浮动程序，这种程序随便放在内存什么位置，都能正常运行。 相对寻址是以程序计数器 PC 作为变址寄存器的特殊变址寻址的情况。

例如 :MOVC A, @A+PC

§5.2 寻址方式 八、基址寻址： 基址寻址是把由指令中给出的地址 (形式地址，或称位移量 )与 CPU 中的某个基址寄存器相加而得到实际的操作数地址。

§5.2 寻址方式 九、隐含寻址方式 ： 操作码中隐含着操作数地址。 例如单地址指令中只给出一个操作数地址，另一个操作数规定为累加器，它的地址就是隐含的。另外，如堆栈指令，其操作数在堆栈内，指令中无需指出具体地址。

§5.2 寻址方式 十、其它寻址方式： 有的计算机指令系统中还有更复杂的寻址方式，如基址变址寻址、位寻址、块寻址、串寻址等等 。

§5.3 指令类型 一、指令系统的设计原则 二、指令分类

一、指令系统的设计原则 1 、完备性： 指令系统的功能应尽量完备 。2 、兼容性： 至少要能做到“向上兼容”，即低档机上运行的软件可以在高档机上运行。3 、均匀性： 数据处理指令能对多种类型的数据进行处理，包括三种整数 (字节、字、双字 )和两种浮点数 (单精度和双精度浮点数 )。4 、可扩充性： 操作码字段要保留一定的空间，以便需要时进行功能扩充。

指令操作码的扩展技术 在指令字中用一个固定长度的字段来表示基本操作码，而对于一部分不需要某个地址码的指令，把它们的操作码扩充到该地址字段，这样既能充分地利用指令字的各个字段，又能在不增加指令长度的情况下扩展操作码的长度，使它能表示更多的指令。

指令操作码的扩展技术 例 1：已知指令字长为 16位，每个地址码为4位，采用扩展操作码的方式，设计 15条三地址指令、 15条二地址指令、 15条一地址指令、 16条零地址指令。

指令操作码的扩展技术OP A1 A2 A30000 ×××× ×××× ××××0001 ×××× ×××× ××××…… …… …… ……1110 ×××× ×××× ××××1111 0000 ×××× ××××1111 0001 ×××× ××××…… …… …… ……1111 1110 ×××× ××××1111 1111 0000 ××××1111 1111 0001 ××××…… …… …… ……1111 1111 1110 ××××1111 1111 1111 00001111 1111 1111 0001…… …… …… ……1111 1111 1111 1111

指令操作码的扩展技术 例 2：某机指令系统采用定字长指令格式，指令字长 32位，每个操作数的地址编码长 12位。指令分二地址、单地址和无地址三类。若二地址指令有 K条，一地址指令有 L条，则无地址指令有多少条？ 解：1、 [（ 28-K）×212-L] ×2122 、 232 - K×224 - L×212

二、指令分类1 、按功能分类2、按操作数个数分类3、按操作数寻址方式分类

1 、按功能分类1 、按功能分类：（ 1）、算术和逻辑运算指令（ 2）、移位指令和循环指令（ 3）、传送类指令（ 4）、串指令（ 5）、顺序控制指令（ 6）、 CPU控制指令 （ 7）、输入、输出指令

1 、按功能分类（ 1）、算术和逻辑运算指令 : 加（ ADD ）、减（ SUB）、比较（ CMP ）、乘（ MUL ）、除（ DIV ）、与（ AND ）、或（ OR）、取反（ NOT）、异或（ XOR ）、变补（ NEG）、加 1（ INC ）、减 1（ DEC ）、带进位的加（ ADC ）、带借位的减（ SBB）指令等。

1 、按功能分类（ 2）、移位指令和循环指令： 算术移位、逻辑移位、环移、半字交换等。（ 3）、传送类指令： 传送（ MOV ）、交换（ XCHG）等。 （ 4）、串指令： 对字符串进行操作的指令。如有字符串传送、比较、检索等指令。

1 、按功能分类（ 5）、顺序控制指令： 用来控制程序执行的顺序。 有条件转移、无条件转移（ JMP ）、跳步（ SKIP ）、转子（ CALL ）、返主（ RET）等指令。 （ 6）、 CPU 控制指令： 停机、开中断、关中断等指令。（ 7）、输入、输出指令： 用于完成 CPU 与外部设备交换数据或传送控制命令及状态信息

2 、按操作数个数分类（ 1）、双操作数指令：如： ADD 、 SUB、 AND等。 （ 2）、单操作数指令：如： NEG、 NOT、 INC、 DEC 等。 （ 3）、无操作数指令：如：停机，开中断、关中断等。

3 、按操作数寻址方式分类（ 1）、 R-R 型：两个操作数都在 CPU 的寄存器中。 （ 2）、 R-S 型：两个操作数中一个在 CPU 寄存器中，另一个在内存中。（ 4）、 S-S 型：两个操作数都在内存中。

§5.4 堆栈和堆栈存取方式 堆栈 :一种特定的数据结构 , 其特点是后进先出 (LIFO) 或先进后出 (FILO) 。 入栈（进栈、压栈） :往堆栈里存数。 出栈（弹出）：从堆栈里取数。 一、用移位寄存器实现堆栈 二、内存中开辟堆栈区

一、用移位寄存器实现堆栈 用若干寄存器构成，又叫栈顶固定方式堆栈。 栈顶空栈： 栈底

栈顶存入 b: b a 栈底

栈顶取出 b: a 栈底

图 5.10 栈顶固定方式堆栈及其存取

栈顶存入 a: a 栈底

二、内存中开辟堆栈区 在内存中开辟堆栈区。 存储器单元固定，而栈顶位置动态变化。在 CPU 中专门设置堆栈指针 SP，指示栈顶位置，存取只能在栈顶进行。1、自底向上生成堆栈 2、自顶向下生成堆栈

二、内存中开辟堆栈区1 、自底向上生成堆栈： 建栈：堆栈指针 SP 指向栈底下面一个单元。 入栈操作（ PUSH ）步骤： 1 ） SP-1→SP 2 ）存入数据→（ SP） 出栈操作（ POP ）步骤： 1 ）（ SP ）内容读出 2 ） SP+1→SP 入栈操作时，指针向减小的方向变化，所以叫自底向上生成堆栈。

二、内存中开辟堆栈区 1FFD 1FFE 1FFF 2000

栈底SP堆栈指针2000

a （ ） 建栈

1FFD 1FFE 1FFF 2000

栈底a

SP堆栈指针1FFF

b a（ ） 入栈

1FFD 1FFE 1FFF 2000

栈底a

SP堆栈指针1FFF

d b（ ） 出栈

5.11 图 自底向上生成堆栈

1FFD 1FFE 1FFF 2000

栈底

ba

SP堆栈指针1FFE

c b（ ） 入栈

二、内存中开辟堆栈区2 、自顶向下生成堆栈 ： 堆栈：指针 SP 指向栈底上面一个单元。 入栈：操作（ PUSH ）步骤： 1 ） SP+1→SP 2 ）存入数据→（ SP） 出栈：操作（ POP ）步骤： 1 ）（ SP ）内容读出 2 ） SP-1→SP 入栈操作时，指针向增大的方向变化，所以叫自顶向下生成堆栈。

§5.4 CISC 与 RISC 指令 CISC ：复杂指令集计算机。 RISC ：精简指令集计算机。 一、复杂指令集计算机 CISC 二、精简指令集计算机 RISC三、 CISC 与 RISC 之争论

一、复杂指令集计算机 CISC使指令系统越来越复杂的出发点：1、使目标程序得到优化。2、给高级语言提供更好的支持。3、提供对操作系统的支持。

一、复杂指令集计算机 CISC 设计目的：用最少的机器语言指令来完成所需的计算任务。 例如：乘法运算， MUL ADDRA, ADDRB C语言： a*=b 可以直接编译为一条乘法指令。

二、精简指令集计算机 RISC 通过简化指令使计算机的结构更加简单合理，从而提高机器的性能。 RISC 的特点 : 1 、 指令数目较少，一般都选用使用频度最高的一些简单指令； 2 、指令长度固定，指令格式种类少，寻址方式种类少； 3 、大多数指令可在一个机器周期内完成； 4 、通用寄存器数量多，只有存数 /取数指令访问存储器，而其余指令均在寄存器之间进行操作。

二、精简指令集计算机 RISC 例如：乘法运算， MUL ADDRA, ADDRB C语言： a*=b RISC架构要求软件来指定各个操作步骤。 MOV A, ADDRA; MOV B, ADDRB; MUL A, B; STR ADDRA, A 。 这种架构可以降低 CPU 的复杂性以及允许在同样的工艺水平下生产出功能更强大的 CPU ，但对于编译器的设计有更高的要求。

三、 CISC 与 RISC 之争论

§5.6 MMX 技术 MMX 是 Intel 公司为提高 PC机上处理多媒体和通信能力而推出的新一代处理器技术。 它通过在 Pentium或 Pentium Pro 处理器中增加 8 个 64 位寄存器和 57 条新指令来实现。

作业 P150 1、 9、 10

指令操作码的扩展技术 课堂练习：某机指令系统采用定字长指令格式，指令字长 20 位，每个操作数的地址编码长 6位。指令分二地址、单地址和无地址三类。若二地址指令数取最大值，而且一地址指令数也取最大值，这 3种指令最多可能拥有的指令数各是多少？ 解：二地址： 255 、单地址： 63、无地址： 64

8086 指令详解 8086 采用变字节指令格式，指令由 1-6 个字节组成。一般指令格式如下：

7 6 5 4 3 2 1 0第一字节：

操作码 D W D ：方向位。 D=0 ： REG为源操作数寄存器； D=1： REG为目的操作数寄存器。 W ：字位。 W=0 ：参加运算的操作数为字节； W=1：参加运算的操作数为字。

8086 指令详解

MOD ： R/M 中的操作数方式编码。 REG ：寄存器编码。 R/M ： MOD=11 ：第二操作数的寄存器编号； MOD=00、 01 、 10 ：指出存储器操作数的计算方法。

7 6 5 4 3 2 1 0第二字节：

MOD REG R/M

第 3-6 字节根据指令需要取舍，一般由它指出存储器操作数地址的位移量或立即数。

8086 指令详解

MOD 字段编码表：MOD 方 式00 存储器方式，没有位移量。01 存储器方式，有 8位位移量。10 存储器方式，有 16位位移量。11 寄存器方式，没有位移量。

8086 指令详解 REG 字段编码表：

REG W=1 W=0000 AX AL001 CX CL010 DX DL011 BX BL100 SP AH101 BP CH110 SI DH111 DI BH

8086 指令详解ADC ： （ Add with carry ） - 带进位位的加法指令。操作： if(CF)=1 then（ DEST）←（ LSRC ） +（ RSRC） +1 else （ DEST ）←（ LSRC ） + （ RSRC ）编码：有 3种格式。 1 、存储器或寄存器操作数与寄存器操作数：000100 d w mod reg r/m If d = 0 then LSRC = REG, RSRC = EA,DEST = REG else LSRC = EA, RSRC =REG,DEST = EA 。 EA:16 位有效地址。 举例： ADC AX SI ；？

8086 指令详解HLT ： （ Halt)- 处理器暂停指令。操作：没有。编码： 11110100

8086 指令详解MOV ： （ MOVE ） - 传送指令。 共有七种类型的传送指令。 每种类型又有多种使用方法，其编码依赖于被传送数据的类型及该数据所在的位置。汇编程序根据这两个因素生成该指令的目标代码。 如果类型为字，则指令代码中相应于 w的位置为“ 1”，否则为“ 0”。

8086 指令详解2、从存储器到累加器的数据传送：1010000w1010000w addr-lowaddr-low addr-hightaddr-hight

If w = 0 then SRC = addr, DEST = AL else SRC = addr+1:addr, DEST = AX 。 举例： MOV AX ， [1234] ；？