【组成原理-指令】指令系统

目录

• 1 指令格式
  • 1.1 定长操作码
  • 1.2 变长操作码
  • 1.3 相关例题
• 2 寻址方式
  • 2.1 指令寻址
  • 2.2 数据寻址
    • 补充：堆栈寻址的执行细节
    • 补充：指令中的操作数地址
  • 2.3 相关例题
• 3 汇编指令
  • 3.0 Intel 格式和 AT&T 格式
  • 3.1 数据传送指令
  • 3.2 算术和逻辑指令
  • 3.3 控制流指令
    • 补充：使用 SF 和 OF 判断大小关系
  • 3.4 相关例题

1 指令格式

零地址、一地址、二地址、三地址指令的格式：

操作码	地址码1	地址码2	地址码3
OP	A1	A2	A3

1.1 定长操作码

定长操作码指的是操作码的位数不变，n 位操作码的指令系统最大可以有 2ⁿ 条指令。

1.2 变长操作码

定长操作码指的是操作码的位数不固定，相应的地址码根据操作码长度的不同而发生变化。

假设指令字长为 16 位，有四种指令格式（零地址、一地址、二地址、三地址指令），操作码和地址码均占 4 位，则一种扩展操作码方案：

指令	操作码	地址码1	地址码2	地址码3
15 条三地址指令	0000	A1	A2	A3
.	0001	A1	A2	A3
.	...	...	...	...
.	1110	A1	A2	A3
15 条二地址指令	1111	0000	A2	A3
.	1111	0001	A2	A3
.	...	...	...	...
.	1111	1110	A2	A3
15 条一地址指令	1111	1111	0000	A3
.	1111	1111	0001	A3
.	...	...	...	...
.	1111	1111	1110	A3
16 条零地址指令	1111	1111	1111	0000
.	1111	1111	1111	0001
.	...	...	...	...
.	1111	1111	1111	1111

另一种扩展操作码方案：

指令	操作码	地址码1	地址码2	地址码3
15 条三地址指令	0000	A1	A2	A3
.	0001	A1	A2	A3
.	...	...	...	...
.	1110	A1	A2	A3
12 条二地址指令	1111	0000	A2	A3
.	1111	0001	A2	A3
.	...	...	...	...
.	1111	1011	A2	A3
63 条一地址指令	1111	1100	0000	A3
.	1111	1100	0001	A3
.	...	...	...	...
.	1111	1100	1111	A3
.	1111	1101	0000	A3
.	1111	1101	0001	A3
.	...	...	...	...
.	1111	1111	1110	A3
16 条零地址指令	1111	1111	1111	0000
.	1111	1111	1111	0001
.	...	...	...	...
.	1111	1111	1111	1111

1.3 相关例题

【例 1】一个计算机系统采用 32 为指令字长，地址码为 12 位，若定义了 250 条二地址指令，则还可以定义多少条单地址指令？

【解】二地址指令的操作码占据 32-12-12=8 位，因此二地址指令最多可定义 2⁸=256 条指令，但现在只定义了 250 条指令，剩余 6 位分配给一地址指令，可以有 6*2¹² 条指令，即 24K 条指令。

【例 2】某计算机按字节编址，指令字长固定且只有两种指令格式，其中三地址指令 29 条，二地址指令 107 条，每个地址字段为 6 位，则指令字长至少为多少？

【解】由题目可得：指令字长固定且只有两种指令格式，分别为三地址指令和二地址指令。

三地址指令 29 条，2⁴ < 29 < 2⁵，因此三地址指令的操作码至少有 5 位。现假设三地址指令只有 5 位操作码，那么三地址指令最多可以有2⁵=32 条指令，现只有 29 条，说明剩余 3 位分配给了一地址指令。至此，三地址指令已占用 5+3*6=23 位。

二地址能实现的指令数为：3*2⁶=192 > 107，显然是够用的，所以操作码 5 位完全够用。因此指令字长至少为 23 位，又因为按字节编址，所以指令字长至少为 24 位。

2 寻址方式

2.1 指令寻址

寻址方式	执行细节	备注
顺序寻址	执行本条指令时：(PC)+1 -> PC；然后开始执行下一条指令	“1”表示一个指令字长（对于 CISC，指令字长是不固定的；对于 RISC，指令字长是固定的）
跳跃寻址（绝对跳转）	执行本条指令时：(PC)+1 -> PC；执行本条指令后：add -> PC；然后开始执行目标指令	add 为绝对地址，“1”表示一个指令字长
跳跃寻址（相对跳转）	执行本条指令时：(PC)+1 -> PC；执行本条指令后：(PC)+offset -> PC；然后开始执行目标指令	offset 为相对偏移量，用补码表示；“1”表示一个指令字长

【注 1】跳跃寻址（相对跳转）从执行本条指令时到执行本条指令后的 PC 总变化：(PC)+offset+1 -> PC。此处很容易犯错！！！

【注 2】有的题目，相对偏移量 offset 表示的是相对偏移指令数，而不是相对偏移地址！若题目已暗示了是相对偏移指令数，那么若指令字长为 16 位（按字节编址），则根据：(PC)+offset+1 -> PC，可得转移目标地址为(PC)+offset*2+2；若指令字长为 8 位（按字节编址），则根据：(PC)+offset+1 -> PC，可得转移目标地址为(PC)+offset*1+1。

【注 3】计算跳跃寻址（相对跳转）的目标地址时，需要将偏移量从补码转化为原码再计算（因为内存地址是无符号数）。此处很容易犯错！！！

2.2 数据寻址

• imm：立即数
• add：内存地址
• R：寄存器
• PC：程序计数器（x86 称为 IP）
• BR：基址寄存器，内容由操作系统决定
• IX：变址寄存器，内容由用户（程序员）指定
• SP：堆栈（指针）寄存器
• 括号：表示内存地址内容，或寄存器内容

设有效地址为 8 位，寄存器、PC、存储器字长为 16 位，则有：

寻址方式	有效地址 EA	访存次数	寻址范围	访问地址
隐含寻址	程序指定（一般为 R）	0	~	~
立即寻址	imm	0	~	~
直接寻址	add	1	28	0~28-1
一次间接寻址	(add)	2	216	0~216-1
二次间接寻址	((add))	3	216	0~216-1
寄存器寻址	R	0	216	0~216-1
寄存器一次间接寻址	(R)	1	216	0~216-1
寄存器二次间接寻址	((R))	2	216	0~216-1
相对寻址	(PC) + add	1	28	(PC)-(27)+1~(PC)+(27-1)+1
基址寻址	(BR) + add	1	28	(BR)-(27)~(BR)+(27-1)
基址间接寻址	((BR) + add)	2	216	0~216-1
变址寻址	(IX) + add	1	216	0~216-1
变址间接寻址（变址间址）	((IX) + add)	2	216	0~216-1
间接变址寻址（间址变址）	(IX) + (add)	2	216	0~216-1
硬堆栈寻址（寄存器作堆栈）	(SP) 和 R	0	~	~
软堆栈寻址（内存作堆栈）	(SP) 和 R	1	~	~

【注】相对寻址中，add 为相对指令数。此处默认一个指令字长为 8 位，按字节编址，所以访问地址范围为(PC)-(27)+1~(PC)+(27-1)+1；若一个指令字长为 16 位，按字节编址，则应写成(PC)-(27)*2+2~(PC)+(27-1)*2+2。

补充：堆栈寻址的执行细节

• 堆栈顶在小地址方向

指令	执行流
push	(SP)-1 -> SP, (R) -> MSP
pop	(MSP) -> R, (SP)+1 -> SP

• 堆栈顶在大地址方向

指令	执行流
push	(SP)+1 -> SP, (R) -> MSP
pop	(MSP) -> R, (SP)-1 -> SP

【注】堆栈指针始终指向栈顶元素！！！

补充：指令中的操作数地址

• 大端方式：指令中给出的地址是操作数最高有效字节（MSB）的地址
• 小端方式：指令中给出的地址是操作数最低有效字节（LSB）的地址

2.3 相关例题

【例 1】设相对寻址的转移指令占 3 个字节，第一字节为操作码，第二，三字节为相对位移量（补码表示）。而且数据在存储器中采用以低字节地址为字地址的存放方式。每当 CPU 从存储器取出一个字节时，即自动完成 (PC)+1->PC。

（1）若 PC 当前值为 240（十进制），要求转移到 290（十进制），则转移指令的第二、三字节的机器代码是什么？

（2）若 PC 当前值为 240（十进制），要求转移到 200（十进制），则转移指令的第二、三字节的机器代码是什么？

【解】执行转移指令时，PC = 240+3 = 243，指令执行结束后：

（1）转移到 290，相对偏移量为 290-243=47，转成补码为 002FH。

（2）转移到 200，相对偏移量为 200-243=-43，转成补码为 FFD5H。

【例 2】某计算机采用大端方式，按字节编址。某指令中操作数的机器数为 1234 FF00H，该操作数采用基址寻址方式，形式地址（用补码表示）为 FF12H，基址寄存器的内容为 F000 0000H， 则该操作数的 LSB（最低有效字节）所在的地址是什么？

【解】因为 FF12H 为负数补码，所以需转化为原码 80EEH，然后用基址相减该值得到地址：F000 0000H - 80EEH = EFFF 7F12H。因为是大端存储，所以 LSB 所在地址为 EFFF 7F15H。

3 汇编指令

3.0 Intel 格式和 AT&T 格式

Intel 格式	AT&T 格式
第一个：目的操作数；第二个：源操作数	第一个：源操作数；第二个：目的操作数
byte ptr、word ptr、dword ptr	b、w、l
[edx+eax*2+8]	8(%edx, %eax, 2)

【注】在汇编指令中，word（字）均表示 16 位！

3.1 数据传送指令

• mov 指令：不能从内存到内存！
• push 指令
• pop 指令

3.2 算术和逻辑指令

• add 指令
• sub 指令
• inc 指令
• dec 指令
• imul 指令：带符号乘法，可以两个或三个操作数，运算结果可能溢出
• idiv 指令：带符号除法，只有一个操作数，商送 eax，余数送edx
• and 指令
• or 指令
• not 指令：位翻转
• xor 指令
• neg 指令：取反
• shl/shr 指令

3.3 控制流指令

• jmp 指令
• call/ret 指令
• int/iret 指令
• test/cmp 指令

【标志位】

• ZF：零标志（无符号/带符号）：计算结果为 0 时，ZF = 1
• OF：溢出标志（带符号）：OF = 最高位（即符号位）进/借位 ⊕ 次高位（即数值的最高位）进/借位
• SF：符号标志（带符号）：SF = 符号位
• CF：进/借位（carry）标志（无符号）：最高位向更高位进/借位时，CF = 1

• 无符号数和带符号数：

条件指令	含义	标志位	备注
je	相等转移	ZF=1	a-b=0
jne	不相等转移	ZF=0	a-b≠0

• 无符号数：

条件指令	含义	标志位	备注
ja	大于转移	CF=0 且 ZF=0	a-b>0 且 a-b 没有借位
jb	小于转移	CF=1	a-b<0，说明 a-b 不够减，一定借位
jae	大于或等于转移	CF=0 且 ZF=0	a-b>=0 且 a-b 没有借位
jbe	小于或等于转移	CF=1 或 ZF=1	a-b=0，或 a-b<0 有借位

• 带符号数：

条件指令	含义	标志位	备注
jg	大于转移	SF=OF 且 ZF=0	SF=OF 时表示的是大于
jl	小于转移	SF≠OF 且 ZF=0	SF≠OF 时表示的是小于
jge	大于或等于转移	SF=OF	SF=OF 时表示的是大于
jle	小于或等于转移	SF≠OF 或 ZF=1	SF≠OF 时表示的是小于

补充：使用 SF 和 OF 判断大小关系

以cmp ah, bh为例，a-b 测试：

OF	OF 说明	SF	SF 说明	结果
0	没有溢出，逻辑上真正结果的正负=实际结果的正负	1	实际结果为负	逻辑上真正的结果为负，(ah)<(bh)
1	有溢出，逻辑上真正结果的正负≠实际结果的正负	1	实际结果为负	逻辑上真正的结果为非负，(ah)≥(bh)
1	有溢出，逻辑上真正结果的正负≠实际结果的正负	0	实际结果为非负	逻辑上真正的结果为负，(ah)<(bh)
0	没有溢出，逻辑上真正结果的正负=实际结果的正负	0	实际结果为非负	逻辑上真正的结果为非负，(ah)≥(bh)

3.4 相关例题

【例】某机器有一个标志寄存器，其中有进位/借位标志 CF、零标志 ZF、符号标志 SF 和溢出标志 OF，条件转移指令 bgt（无符号整数比较大于时转移）的转移条件是？

【解】判断无符号整数 A>B 成立，满足的条件是结果不等于 0，即零标志 ZF=0，并且两个数相减时， A>B 是不会造成借位的，即进位/借位标志 CF=0，写成逻辑表达式就是(CF+ZF)'=1。