第一頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期一第5章指令系統(tǒng)指令格式InstructionFormats尋址方式Addressingmodes指令系統(tǒng)的設(shè)計方法Chapter5InstructionSetsRISCAninstructionset,orinstructionsetarchitecture(ISA),isthepartofthecomputerarchitecturerelatedtoprogramming,includingthenativedatatypes,instructions,registers,addressingmodes,memoryarchitecture,interruptandexceptionhandling,andexternalI/O.2第二頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期一

指示計算機完成某一特定操作的最基本的命令稱為計算機的“指令”Instruction。

指令是計算機硬件能直接識別并執(zhí)行的命令，是用機器語言編寫程序的基礎(chǔ)工具。

一條指令能完成某種基本操作，一臺計算機有幾十條到幾百條不同的指令。

一臺計算機的指令格式及其所有指令的集合稱為該計算機的指令系統(tǒng)。

指令系統(tǒng)表征著計算機的基本功能，是程序設(shè)計者看到的機器的主要屬性和軟、硬件的主要交界面。

指令系統(tǒng)的設(shè)計主要包括操作類型、操作內(nèi)容和指令格式的設(shè)計。§5.2指令格式InstructionFormats3第三頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期一§5.2.1指令的一般格式

計算機是通過執(zhí)行指令來處理各種數(shù)據(jù)的，為了指出數(shù)據(jù)的來源、操作結(jié)果的去向及所執(zhí)行的操作，一條指令應(yīng)包含下列信息：(1)操作的性質(zhì)及功能。

(2)操作數(shù)(Operands)的地址(Address)。

(3)操作結(jié)果的地址。

(4)下一條指令的地址。以上信息可以歸納為兩類：

一是表示該指令要完成的操作，每種操作都用一個二進(jìn)制形式的代碼表示，稱為操作碼（OperationCode)，操作碼一般位于指令字的前部。

二是描述操作數(shù)或下條指令的地址，稱為地址碼(AddressCode)。4第四頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期一指令的基本格式：操作碼地址碼

指令中的地址碼字段用來指出參與操作的操作數(shù)的地址，地址碼的位數(shù)決定能夠直接訪問的存儲空間范圍。

指令操作碼的長度（二進(jìn)制位數(shù)）決定了指令系統(tǒng)中完成不同操作的指令條數(shù)。

指令是用來表示控制信息的一組二進(jìn)制形式的代碼，它應(yīng)包含與自動進(jìn)行某個基本信息處理操作有關(guān)的內(nèi)容。指令格式InstructionFormats5第五頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期一指令的地址結(jié)構(gòu)地址結(jié)構(gòu)是指在指令中給出幾個地址。根據(jù)地址碼中所給出的地址個數(shù)，可有幾種不同的指令格式：(1)三地址指令

Three-AddressInstruction格式：OPCODEA1A2A3

其中：OPCODE—操作碼，A1—第一操作數(shù)地址，A2—第二操作數(shù)地址，A3—操作結(jié)果的存貯地址。其操作表達(dá)式為：（A1）OP（A2）→A3(2)兩地址指令

Two-AddressInstruction格式：OPCODEA1A2其操作表達(dá)式為：（A1）OP（A2）→A1目的操作數(shù)源操作數(shù)6第六頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期一(3)一地址指令

One-AddressInstruction格式：OPCODEA一地址指令常被稱為“單操作數(shù)指令”，實際上它有兩種情況。

一是參與操作的只有一個操作數(shù)，在對地址A所指定的操作數(shù)執(zhí)行OPCODE規(guī)定的操作后，產(chǎn)生的結(jié)果仍存回到該地址中。例如，加1、減1、求反、(移位)等都是單操作數(shù)指令。二是參與操作的有兩個操作數(shù)，其中一個是隱含的。

例如，一些對兩個操作數(shù)進(jìn)行算術(shù)邏輯運算的指令也采用這種格式。此時，另一個操作數(shù)（目的操作數(shù)）隱含在累加器中，指令執(zhí)行后目的操作數(shù)為操作結(jié)果取代。

又如，堆棧操作指令也是有2個操作數(shù)的一地址指令，在指令中給出了一個操作數(shù)地址，另一個操作數(shù)隱含在棧頂。7第七頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期一(4)零地址指令

Zero-AddressInstruction格式：OPCODE指令中只有操作碼，沒有操作數(shù)，所以也稱無操作數(shù)指令。零地址格式的指令有兩種情況：①無需任何操作數(shù)。如空操作指令，停機指令等。②操作數(shù)的地址是隱含的。(5)多地址指令

某些計算機設(shè)置有一些功能很強的、用于實現(xiàn)成批數(shù)據(jù)處理的指令。如字符串處理指令，向量、矩陣運算指令等。為了描述一批數(shù)據(jù)，指令中需要多個地址來指出數(shù)據(jù)存放的首地址、長度和下標(biāo)等信息。

例如，CDCSTAR-100的矩陣運算指令，其地址碼部分有7個地址字段，用以指出參加運算的兩個矩陣及結(jié)果的存儲情況。8第八頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期一操作碼的編碼指令操作碼通常有兩種編碼格式。(1)固定長度操作碼

Fixed-LengthOpcode即操作碼的長度固定，且集中放在指令字的一個字段中。這種格式有利于簡化硬件設(shè)計，減少指令譯碼時間。若操作碼長度為K位，則最多可有2k條不同指令。(2)可變長度操作碼

Variable-LengthOpcode即操作碼的長度可變，且分散地放在指令字的不同字段中。

這種格式能有效地壓縮程序中操作碼的平均長度。但將增加指令譯碼和分析的難度，使控制器的設(shè)計復(fù)雜化。

例如，操作碼擴(kuò)展技術(shù)，哈夫曼編碼等。第九頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期一§5.2.2指令操作碼的擴(kuò)展技術(shù)

操作碼擴(kuò)展技術(shù)，在指令字中用一個固定長度的字段來表示基本操作碼，對于一部分不需要某個地址碼的指令，把操作碼擴(kuò)充到該地址字段。既能充分利用指令字的各個字段，又能在不增加指令長度的情況下擴(kuò)展操作碼的長度，以表示更多的指令。【例1】某計算機的字長為16位，欲設(shè)計的指令系統(tǒng)有零地址指令16條，一地址指令15條，兩地址指令15條及三地址指令15條，設(shè)每個地址碼字段為4位，應(yīng)如何設(shè)計?OPCODEA1A2A310第十頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期一【例1】某計算機的字長為16位，欲設(shè)計的指令系統(tǒng)有零地址指令16條，一地址指令15條，兩地址指令15條及三地址指令15條，設(shè)每個地址碼字段為4位，應(yīng)如何設(shè)計?解1.按固定長度操作碼格式設(shè)計。如果要求指令字長是字節(jié)的整數(shù)倍，則零地址指令長度應(yīng)該為8位，一地址指令長度應(yīng)該為16位，二地址指令長度應(yīng)該為16位，三地址指令長度應(yīng)該為24位。地址碼字段的長度均可大于4位。零地址指令長度為6位，一地址指令長度為10位，二地址指令長度為14位，三地址指令長度為18位。∵26=64

>61∴操作碼長度為6位共61條指令。11第十一頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期一【例1】某計算機的字長為16位，欲設(shè)計的指令系統(tǒng)有零地址指令16條，一地址指令15條，兩地址指令15條及三地址指令15條，設(shè)每個地址碼字段為4位，應(yīng)如何設(shè)計?解2.按操作碼擴(kuò)展技術(shù)設(shè)計。指令格式為：OPA1A2A315121187430指令格式包括1個基本操作碼字段和3個地址碼字段。各字段均為4位，指令字長為16位。

要求三地址指令15條，24＝16>15，所以，基本操作碼字段長度為4位。地址碼字段4位。12第十二頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期一4位基本操作碼，共有16個碼位。其中0000～1110作為15條三地址指令的操作碼，1111作為擴(kuò)展標(biāo)志用于把操作碼擴(kuò)展到A1。15條二地址指令操作碼為11110000～11111110。留下一個碼字11111111作為擴(kuò)展標(biāo)志用于把操作碼擴(kuò)展到A2。15條一地址指令的操作碼為111111110000～111111111110。碼字111111111111作為擴(kuò)展標(biāo)志用于把操作碼擴(kuò)展到A3。16條零地址指令的操作碼為1111111111110000～1111111111111111OPA1A2A315121187430第十三頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期一

此外還有其它的擴(kuò)展方法。例如，可以形成15條三地址指令，14條兩地址指令，31條一地址指令和16條零地址指令。本例所用的操作碼擴(kuò)展方法稱為15/15/15法。

它是指在4位二進(jìn)制表示的16個碼點中，用15個來表示最常用指令的操作碼，剩下的一個碼字用于把操作碼擴(kuò)展到下一個4位。而下一個4位表示的16個碼字也按同樣的原則處理和擴(kuò)展。作為今天的作業(yè)題14第十四頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期一§5.2.3指令長度與數(shù)據(jù)字長的關(guān)系

指令的長度（指令字長InstructionLength

）主要取決于操作碼的長度、操作數(shù)地址的長度和操作數(shù)地址的個數(shù)。指令的長度有定長格式的，也有變長格式的。

當(dāng)操作數(shù)地址是主存儲器的直接地址時，其地址碼的位數(shù)就很長。當(dāng)操作數(shù)地址是寄存器號時，地址碼的位數(shù)就很短。所以，在兩地址和多地址指令中通常只有一個操作數(shù)地址是存儲器直接地址。為了充分利用存儲空間，指令的長度通常為字節(jié)的整數(shù)倍。

指令的長度與機器的字長沒有固定的關(guān)系，既可以大于或等于機器的字長，也可以小于機器的字長。指令的長度大于機器的字長時稱為長格式指令，它需要幾個連續(xù)字單元或字單元加字節(jié)單元來存儲。指令的長度小于或等于機器的字長時，稱為短格式指令，它只需一個字單元或一至幾個連續(xù)的字節(jié)單元來存儲。15第十五頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期一存儲器按：字編址字節(jié)編址位編址數(shù)據(jù)在存儲器中的存放方式字地址為低字節(jié)地址字地址為高字節(jié)地址37621540字地址04低字節(jié)04512673字地址04高字節(jié)低字節(jié)在前高字節(jié)在前地址000001010011100101110111數(shù)據(jù)ABCDEFGHJKLMNOPQ存儲器內(nèi)容為GHEFCDABPQNOLMJK存儲器內(nèi)容為ABCDEFGHJKLMNOPQ16第十六頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期一地址(十進(jìn)制)04812162024283236雙字雙字（地址32）雙字雙字（地址24）半字（地址20）半字（地址22）半字（地址16）半字（地址18）字節(jié)(地址8)字節(jié)(地址9)字節(jié)（地址10）字節(jié)（地址11）字（地址4）字（地址0）字節(jié)（地址14）

字節(jié)（地址15）字節(jié)(地址13)字節(jié)(地址12)邊界對準(zhǔn)地址(十進(jìn)制)048字節(jié)(地址7)字節(jié)(地址6)字(地址2)半字(地址10)半字(地址8)半字(地址0)字(地址4)邊界未對準(zhǔn)存儲器中的數(shù)據(jù)存放（存儲字長為32位）第十七頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期一§5.4指令類型

指令的操作類型按功能可分成算術(shù)邏輯運算、數(shù)據(jù)傳送、程序控制、輸入輸出等類型。1.算術(shù)邏輯運算Arithmetic&Logical

一些低檔的微型機只有定點加減運算指令、求補指令、比較指令、加1減1指令等算術(shù)運算指令。較高檔的機器還有十進(jìn)制運算指令、定點乘除指令、浮點運算指令等。

一些大型機、巨型機還設(shè)有向量運算指令，可以直接對整個向量Vector或矩陣Array進(jìn)行求和、求積等運算。

邏輯運算類指令包括邏輯與、或、非、異或和測試等。有些機器還有位操作BitManipulation、位測試等指令。算術(shù)邏輯運算指令都影響狀態(tài)標(biāo)志位Flag（程序狀態(tài)字PSW）18第十八頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期一2.移位操作Shift

移位有算術(shù)移位、邏輯移位和循環(huán)移位三種。可以實現(xiàn)對操作數(shù)左移或右移一位或多位。

循環(huán)移位Rotate有帶進(jìn)位位的大循環(huán)和不帶進(jìn)位位的小循環(huán)兩種，常用于實現(xiàn)循環(huán)式控制、壓縮BCD碼高低字位互換及多倍字長的移位等。6336CyCyCyCy交換后19第十九頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期一3.數(shù)據(jù)傳送DataTransfer

在程序中使用最多的是數(shù)據(jù)傳送指令。這類指令的功能是實現(xiàn)寄存器與寄存器，寄存器與存儲單元以及存儲單元與存儲單元之間的數(shù)據(jù)傳送，包括對數(shù)據(jù)的讀(取數(shù)load)和寫(存數(shù)store)。

數(shù)據(jù)傳送時，數(shù)據(jù)從源地址Source傳送到目的地址Destination，源地址中的數(shù)據(jù)保持不變。

有些機器設(shè)置有數(shù)據(jù)塊傳送指令，可一次把多達(dá)64K的數(shù)據(jù)從一個存儲區(qū)傳送到另一個存儲區(qū)。堆棧的壓入Push和彈出Pop指令也屬于數(shù)據(jù)傳送指令。數(shù)據(jù)交換指令則完成源操作數(shù)與目的操作數(shù)的互換。20第二十頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期一4.轉(zhuǎn)移（程序控制ProgramControl

）

這類操作主要用于控制程序的流向，包括停機、無條件轉(zhuǎn)移Jump、條件轉(zhuǎn)移、子程序調(diào)用與返回、中斷和陷井指令等。

條件轉(zhuǎn)移ConditionalBranch是根據(jù)對某些條件測試的結(jié)果（通常是前面執(zhí)行的算術(shù)邏輯運算指令對狀態(tài)標(biāo)志位的影響）決定是否發(fā)生轉(zhuǎn)移，若條件滿足則轉(zhuǎn)移，否則順序執(zhí)行下一條指令。

轉(zhuǎn)移還有絕對轉(zhuǎn)移和相對轉(zhuǎn)移的區(qū)別。

絕對轉(zhuǎn)移是轉(zhuǎn)移到一個給定的目標(biāo)地址（在整個存儲器范圍內(nèi)）。

相對轉(zhuǎn)移是相對當(dāng)前地址（程序計數(shù)器PC內(nèi)容）向前或向后轉(zhuǎn)移一個位移量的范圍（小范圍）。21第二十一頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期一

子程序調(diào)用SubroutineCall與返回SubroutineReturn指令也有條件調(diào)用/條件返回和無條件調(diào)用/無條件返回的區(qū)別。中斷指令設(shè)置中斷類型，開放或禁止中斷Interrupt等。

陷井Trap是一種異常中斷，其目的不是為了請求CPU正常處理中斷，而是為了把發(fā)生的各種事件通知CPU，并根據(jù)故障情況轉(zhuǎn)入相應(yīng)的故障處理程序。陷井指令一般不提供給用戶使用。以上四類操作是各種計算機都有的最基本的指令操作。22第二十二頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期一5.輸入輸出Input/Output

輸入輸出指令用來實現(xiàn)主機與外設(shè)間的各類信息交換，如數(shù)據(jù)的輸入和輸出、向外設(shè)發(fā)出的控制命令、檢測外設(shè)的工作狀態(tài)等。由于I/O端口的數(shù)目遠(yuǎn)少于存儲單元數(shù)，故此類指令的地址碼較短。

有些計算機采用內(nèi)存和外設(shè)（接口）統(tǒng)一編址的方法，把外設(shè)看作內(nèi)存單元，所有能對內(nèi)存單元進(jìn)行操作的指令均可對外設(shè)端口進(jìn)行操作（包括算術(shù)邏輯運算）。這樣的計算機就沒有輸入輸出指令。6．字符串處理

字符串處理指令實現(xiàn)對字符串String的非數(shù)值處理，包括：字符串的傳送、字符串比較、字符串查詢、字符串轉(zhuǎn)換等。23第二十三頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期一7．特權(quán)指令

特權(quán)指令是用于系統(tǒng)資源分配和管理的指令。例如，檢測用戶的訪問權(quán)限，修改段表、頁表，改變系統(tǒng)的工作模式，任務(wù)的創(chuàng)建和切換等。8．多處理機指令MultiprocessorInstruction多處理機指令是專門為支持多處理機系統(tǒng)而設(shè)置的指令。9．多媒體指令MultimediaInstruction

多媒體指令是專門為處理多媒體數(shù)據(jù)而設(shè)置的指令。例如，Pentium

處理器的MMX指令。特權(quán)指令只能用于操作系統(tǒng)和其他系統(tǒng)軟件。24第二十四頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期一§5.4.3指令系統(tǒng)的兼容性Compatibility從20世紀(jì)60年代的IBM360大型機開始，出現(xiàn)了系列機。

在一個系列內(nèi)有不同檔次的機型。系列機中的高中低檔機都具有相同的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，相同的指令系統(tǒng)。從此出現(xiàn)了“兼容”Compatible。25第二十五頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期一計算機組成原理設(shè)計性作業(yè)課題2指令系統(tǒng)設(shè)計

設(shè)計一個簡單的（沒有中斷功能）16位RISC定點處理器的指令系統(tǒng)。指令系統(tǒng)設(shè)計的任務(wù)包括設(shè)計：指令功能、指令格式、尋址方式、全部指令的助記符、指令編碼等。試分析一個簡單的計算機至少需要哪些指令就能夠完成最基本的運算？對于RISC機，適當(dāng)增加一些功能比較強的更有用的指令有利于編程。提示：指令系統(tǒng)設(shè)計與寄存器結(jié)構(gòu)、標(biāo)志寄存器、等有關(guān)。可以參考“定點運算器設(shè)計”的通用寄存器組、標(biāo)志寄存器。第6周周末完成26第二十六頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期一實驗課題1ALU設(shè)計實驗內(nèi)容：

按照題目要求設(shè)計一個16位ALU的邏輯，決定外部的端口（名稱、有效電平）和內(nèi)部各元件的連接，畫出系統(tǒng)框圖和邏輯圖，設(shè)計仿真數(shù)據(jù)，用VHDL編程和仿真。

一、主要元件設(shè)計

1．4位并行進(jìn)位加法器功能要求：能完成兩個4位二進(jìn)制數(shù)（補碼和無符號數(shù)）的加法和邏輯加運算。內(nèi)部有并行進(jìn)位鏈。可以擴(kuò)展成多位組。

2．組間并行進(jìn)位鏈邏輯功能要求：4個4位小組的組間并行進(jìn)位鏈邏輯。將組間并行進(jìn)位鏈邏輯與4個4位超前進(jìn)位加法器連接可以構(gòu)成16位超前進(jìn)位加法器。可參考74182的邏輯函數(shù)。27第二十七頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期一實驗課題1ALU設(shè)計

一、主要元件設(shè)計

3．函數(shù)發(fā)生器功能要求：能把輸入的兩個16位二進(jìn)制數(shù)進(jìn)行變換，與后面的16位超前進(jìn)位加法器配合完成兩個16位二進(jìn)制數(shù)（補碼和無符號數(shù)）的8種算術(shù)運算（有些運算考慮低位來的進(jìn)位）和8種邏輯運算。提示：ALU的功能參考數(shù)字邏輯課程的“多功能加法器”實驗。

二、頂層設(shè)計用層次結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法設(shè)計一個16位ALU。內(nèi)部包括4個4位并行進(jìn)位加法器、組間并行進(jìn)位鏈、16位函數(shù)發(fā)生器等。功能要求：能完成兩個16位二進(jìn)制數(shù)以及低位來的進(jìn)位的8種算術(shù)運算和8種邏輯運算。可參考74181。

28第二十八頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期一實驗課題1ALU設(shè)計

三、仿真

設(shè)計仿真波形數(shù)據(jù)，要考慮到所有可能的情況。在實驗報告中必須清楚說明仿真波形數(shù)據(jù)是怎樣設(shè)計的。

四、深入的課題上面設(shè)計的ALU還沒有標(biāo)志寄存器，如果想為ALU增加標(biāo)志寄存器，應(yīng)該怎樣設(shè)計？標(biāo)志位是怎樣產(chǎn)生的？29第二十九頁，共三十二頁，編輯于2023年，星期一5-1,4,5,6HomeworkInstructionspersecond-Mostconsumerspickacomputerarchitecture(normallyIntelIA32architecture)tobeabletorunalargebaseofpre-ex