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合肥电子学校 计算机原理电子教案
1） 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。 2） 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。高效率主要表现在程序占据存储空间小、执行速度快。
3） 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。
对称性是指：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；
匀齐性是指：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是指：指令长度和数据长度有一定的关系，以方便处理和存取。
4） 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。
4．1．3 低级语言与硬件结构的关系
计算机语言有高级语言和低级语言之分。高级语言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（二进制语言）和汇编语言（符号语言），这两种语言都是面向机器的语言，它们和具体机器的指令系统密切相关。高级语言和低级语言的异同可参考表4.1。
4．2 指令格式
表示一条指令的机器字，就称为指令宇，通常简称指令。
指令格式，则是指令字用二进制代码表示的结构形式。一条指令的结构可用如下形式来表示：
操作码字段 地址码字段
4．2．1 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。
4．2．2 地址码
根据一条指令中有几个操作数地址，可将该指令称为几操作数指令或几地址指令。目前二地址和一地址指令格式用的得最多。
l 零地址指令的指令子中只有操作码，而没有地址码。
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l 一地址指令常称单操作数指令。 (AC) OP (A) → AC
l 二地址指令常称双操作数指令，它有两个地址码字段A1和A2，分别指明参与操作的两个数在内存中或运算器通用寄存器的地址，其中地址A1兼做存放操作结果的地址。 (A1) OP (A2) → A1
l 三地址指令字中有三个操作数地址A1，A2和A3。 (A1) OP (A2) → A3
从操作数的物理位置来说，又可归结为三种类型：
访问内存的指令格式，我们称这类指令为存储器－存储器（SS）型指令；
访问寄存器的指令格式，我们称这类指令为寄存器－寄存器（RR）型指令；
第三种类型为寄存器－存储器（RS）型指令。
4．2．3 指令字长度
一个指令字中包含二进制代码的位数，称为指令字长度。
机器字长是指计算机能直接处理的二进制数据的位数，它决定了计算机的运算精度。
指令字长度等于机器字长度的指令，称为单字长指令；指令字长度等于半个机器字长度的指令，称为半字长指令；指令字长度等于两个机器字长度的指令，称为双字长指令。
使用多字长指令的目的，在于提供足够的地址位来解决访问内存任何单元的寻址问题，但是主要缺点是必须两次或多次访问内存以取出整条指令，这就降低了CPU的运算速度，同时又占用了更多的存储空间。
在一个指令系统中，如果各种指令字长度是相等的，称为等长指令字结构，这种指令字结构简单，且指令字长度是不变的。如果各种指令字长度随指令功能而异，就称为变长指令字结构。这种指令字结构灵活，能充分利用指令长度，但指令的控制较复杂。
4．2．4 指令助记符
为便于书写和记忆而设定的，与机器指令一一对应。
4．2．5 指令格式举例
4．3 指令和数据的寻址方式
当采用地址指定方式时，形成操作数或指令地址的方式，称为寻址方式。寻址方式分为两类，即指令寻址方式和数据寻址方式。
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4．3．1 指令的寻址方式
指令寻址的基本方式有两种，一种是顺序寻址方式，另一种是跳跃寻址方式。
4．3．2 操作数寻址方式
所谓操作数的寻址方式，就是形成操作数的有效地址的方法。
在很多情况下，形式地址（偏移量）并不是有效地址。
典型的寻址方式有：
l 隐含寻址：这种类型的指令，不是明显地给出操作数的地址，而是在指令中隐含着操作数的地址。
l 立即寻址：指令的地址字段指出的不是操作数的地址，而是操作数本身，这种寻址方式称为立即寻址。
l 直接寻址：是一种基本的寻址方法，其特点是：在指令格式的地址字段中直接指出操作数在内存的地址D。
l 间接寻址：是相对于直接寻址而言的，在间接寻址的情况下，指令地址字段中的形式地址D不是操作数的真正地址，而是操作数地址的指示器，或者说D单元的内容才是操作数的有效地址。
l 寄存器寻址方式和寄存器间接寻址方式：当操作数不放在内存中，而是放在CPU的通用寄存器中时，可采用寄存器寻址方式。寄存器寻址方式和寄存器间接寻址方式的区别在于：指令中的寄存器内容不是操作数，而是操作数的地址，该地址指明的操作数在内存中。
l 相对寻址：是把程序计数器PC的内容加上指令格式中的形式地址D而形成操作数的有效地址。
l 基址寻址方式：将CPU中基址寄存器的内容加上指令格式中的形式地址而形成操作数的有效地址。
l 变址寻址方式：把CPU中某个变值寄存器的内容与偏移量D相加来形成操作数的有效地址。
l 块寻址方式：
l 段寻址方式：
4．3．3 寻址方式举例
PDP/11系列机、Pentium的寻址方式。
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参考例3和例4。
4．4 堆栈寻址方式
堆栈和其他形式的存储器之间的差别就在于，它们对数据的存取方法或寻址方法有所不同。
4．4．1 串联堆栈
串行堆栈是由CPU当中的一组专门的寄存器构成。串行堆栈的最大优点是速度快。
4．4．2 存储器堆栈
串行堆栈存的容量有限，为了突破这种限制，使用了存储器堆栈，其优点在于：
l 堆栈能够具有程序员要求的任意长度；
l 只要程序员喜欢，愿意建立多少堆栈，就能建立多少堆栈；
l 可以用对存储器寻址的任何一条指令来对堆栈中的数据进行寻址。
存储器堆栈使用CPU中的一个特殊寄存器作为堆栈指示器。
串联堆栈和存储器堆栈的操作方式不同，在串联堆栈中，移动的是数据，而在存储器堆栈中，移动的是栈顶。这主要和两种堆栈的速度有关。
4．5 典型指令
4．5．1 指令的分类
一个较完善的指令系统应当包括数据传送类指令、算术运算类指令、逻辑运算类指令、程序控制类指令、输入输出指令、字符串类指令、系统控制类指令。
4．5．2 基本指令系统
指令系统的基本指令见表4.7。
4．5．3 精简指令系统
RISC指令系统的特征：
l 选取使用频率最高的一些简单指令；
l 指今长度固定，指令格式种类少，寻址方式种类少；