指令和數(shù)據(jù)的尋址方式.ppt

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4．3指令和數(shù)據(jù)的尋址方式,操作數(shù)或指令在存儲器中的地址：某個(gè)操作數(shù)或某條指令存放在某個(gè)存儲單元時(shí)其存儲單元的編號。在存儲器中，操作數(shù)或指令寫入或讀出的方式，有三種：地址指定方式、相聯(lián)存儲方式和堆棧存儲方式。當(dāng)采用地址指定方式時(shí)，形成操作數(shù)或指令地址的方式，稱為尋址方式。尋址方式分為兩類，即指令尋址方式和數(shù)據(jù)尋址方式。指令的尋址方式有兩種，一種是順序?qū)ぶ贩绞?，另一種是跳躍尋址方式。4.3.1指令的尋址方式1.順序?qū)ぶ贩绞街噶畹刂吩趦?nèi)存中按順序安排，當(dāng)執(zhí)行一段程序時(shí)，通常是一條指令接一條指令的順序執(zhí)行。為此，必須使用程序計(jì)數(shù)器（又稱指令指針寄存器）PC來計(jì)數(shù)指令的順序號，該順序號就是指令在內(nèi)存中的地址。2.跳躍尋址方式當(dāng)程序轉(zhuǎn)移執(zhí)行的順序時(shí)，指令的尋址就采取跳躍尋址方式。所謂跳躍，是指下條指令的地址碼不是由程序計(jì)數(shù)器給出，而是由本條指令給出。程序跳躍后，按新的指令地址開始順序執(zhí)行。,4.3.2操作數(shù)尋址方式,所謂操作數(shù)的尋址方式，就是形成操作數(shù)的有效地址的方法。例如，一種單地址指令的結(jié)構(gòu)如下所示，其中用X，I，D各字段組成該指令的操作數(shù)地址。操作碼OP變址X間址I形式地址D指令中操作數(shù)字段的地址碼是由形式地址和尋址方式特征位等組合形成，因此，一般來說，指令中所給出的地址碼，并不是操作數(shù)的有效地址。因此，尋址過程就是把操作數(shù)的形式地址，變換為操作數(shù)的有效地址的過程。1.隱含尋址在指令中不明顯的給出而是隱含著操作數(shù)的地址。例如，單地址的指令格式，沒有在地址字段中指明第二操作數(shù)地址，而是規(guī)定累加寄存器AC作為第二操作數(shù)地址，AC對單地址指令格式來說是隱含地址。2.立即尋址指令的地址字段指出的不是操作數(shù)的地址，而是操作數(shù)本身。這種方式的特點(diǎn)是指令執(zhí)行時(shí)間很短，不需要訪問內(nèi)存取數(shù)。例如：單地址的移位指令格式為OP(移位)FD這里D不是地址，而是一個(gè)操作數(shù)。F為標(biāo)志位，當(dāng)F＝1，操作數(shù)進(jìn)行右移；當(dāng)F＝0時(shí)，操作數(shù)進(jìn)行左移。,4．3．2操作數(shù)尋址方式,直接尋址：是一種基本的尋址方法，其特點(diǎn)是：在指令格式的地址字段中直接指出操作數(shù)在內(nèi)存的地址D。采用直接尋址方式時(shí)，指令字中的形式地址D就是操作數(shù)的有效地址E，既E＝D。因此通常把形式地址D又稱為直接地址。此時(shí)，由尋址模式給予指示。如果用S表示操作數(shù)，那么直接尋址的邏輯表達(dá)式為S＝（E）＝（D）間接尋址：是相對于直接尋址而言的，在間接尋址的情況下，指令地址字段中的形式地址D不是操作數(shù)的真正地址，而是操作數(shù)地址的指示器，或者說D單元的內(nèi)容才是操作數(shù)的有效地址。如果把直接尋址和間接尋址結(jié)合起來，指令有如下形式：操作碼ID尋址特征位I＝0，表示直接尋址，這時(shí)有效地址E＝D；I＝1，表示間接尋址，這時(shí)有效地址E＝（D）。間接尋址方式是早期計(jì)算機(jī)中經(jīng)常采用的方式，但由于兩次訪存，影響指令執(zhí)行速度，現(xiàn)在已不大使用。,4．3．2操作數(shù)尋址方式,寄存器尋址方式和寄存器間接尋址方式：當(dāng)操作數(shù)不放在內(nèi)存中，而是放在CPU的通用寄存器中時(shí)，可采用寄存器尋址方式。此時(shí)指令中給出的操作數(shù)地址不是內(nèi)存的地址單元號，而是通用寄存器的編號。寄存器尋址方式和寄存器間接尋址方式的區(qū)別在于：指令中的寄存器內(nèi)容不是操作數(shù)，而是操作數(shù)的地址，該地址指明的操作數(shù)在內(nèi)存中。相對尋址：是把程序計(jì)數(shù)器PC的內(nèi)容加上指令格式中的形式地址D而形成操作數(shù)的有效地址。程序計(jì)數(shù)器的內(nèi)容就是當(dāng)前指令的地址?！跋鄬Α睂ぶ罚褪窍鄬τ诋?dāng)前的指令地址而言。采用相對尋址方式的好處是程序員無須用指令的絕對地址編程，所編程序可以放在內(nèi)存任何地方。此時(shí)形式地址D通常稱為偏移量，其值可正可負(fù)，相對于當(dāng)前指令地址進(jìn)行浮動?；穼ぶ贩绞剑簩PU中基址寄存器的內(nèi)容加上指令格式中的形式地址而形成操作數(shù)的有效地址。它的優(yōu)點(diǎn)是可以擴(kuò)大尋址能力。同形式地址相比，基址寄存器的位數(shù)可以設(shè)置得很長，從而可以在較大的存儲空間中尋址。,4．3．2操作數(shù)尋址方式,變址尋址方式：把CPU中某個(gè)變值寄存器的內(nèi)容與偏移量D相加來形成操作數(shù)的有效地址。使用變址尋址方式的目的不在于擴(kuò)大尋址空間，而在于實(shí)現(xiàn)程序塊的規(guī)律性變化。塊尋址方式：塊尋址方式經(jīng)常用在輸入輸出指令中，以實(shí)現(xiàn)外存儲器或外圍設(shè)備同內(nèi)存之間的數(shù)據(jù)塊傳送。塊尋址方式在內(nèi)存中還可用于數(shù)據(jù)塊搬家。塊尋址時(shí)，通常在指令中指出數(shù)據(jù)塊的起始地址（首地址）和數(shù)據(jù)塊的長度（字?jǐn)?shù)或字節(jié)數(shù)）。如果數(shù)據(jù)塊是變長的，可用三種方法指出它的長度：(1)指令中劃出字段指出長度；(2)指令格式中指出數(shù)據(jù)塊的首地址與末地址；(3)由塊結(jié)束字符指出數(shù)據(jù)塊長度。操作碼首地址標(biāo)志位末地址段尋址方式：微型機(jī)中采用了段尋址方式，例如它們可以給定一個(gè)20位的地址，從而有1M存儲空間的直接尋址能力。為此將整個(gè)1M空間存儲器以64K為單位劃分成若干段。在尋址一個(gè)內(nèi)存具體單元時(shí)，由一個(gè)基地址再加上某些寄存器提供的16位偏移量來形成實(shí)際的20位物理地址。這個(gè)基地址就是CPU中的段寄存器。,4．3．3尋址方式舉例,PDP/11系列機(jī)尋址方式PDP/11系列機(jī)指令字長為16位，雖然指令系統(tǒng)中有單操作數(shù)指令和雙操作數(shù)指令，但操作數(shù)字段即地址部分均由6位二進(jìn)制構(gòu)成。例如雙操作數(shù)指令為：1512119876543210操作碼尋址方式寄存器號尋址方式寄存器號|||參閱表4.4PDP/11系列機(jī)的尋址方式，其主要特征是采用寄存器尋址Pentium的尋址方式。Pentium的外部地址總線寬度是36位，但它也支持32位的物理地址空間。其有效地址的尋址方式共有九種，參見表4.5Pentium的尋址方式,[例3]一種二地址RS型指令的結(jié)構(gòu)如下所示：6位4位1位2位16位OP---通用寄存器IX偏移量D其中I為間接尋址標(biāo)志位，X為尋址模式字段，D位偏移量字段。通過I，X，D的組合，可構(gòu)成下表所示的尋址方式。請寫出六種尋址方式的名稱。尋址方式IX有效地址E算法說明(1)000E=D(2)001E=(PC)+DPC為程序計(jì)數(shù)器(3)010E=(R2)+DR2為變址寄存器(4)111E=(R3)(5)100E=(D)(6)011E=(R1)+DR1為基址寄存器[解]：⑴直接尋址⑵相對尋址⑶變址尋址⑷寄存器間接尋址⑸間接尋址⑹基址尋址,[例4]某16位機(jī)器所使用的指令格式和尋址方式如下所示，該機(jī)有兩個(gè)20位基址寄存器，四個(gè)16位變址寄存器，十六個(gè)16位通用寄存器，指令匯編格式中的S（源），D（目標(biāo)）都是通用寄存器，M是主存中的一個(gè)單元。三種指令的操作碼分別是MOV（OP）＝（A）H，STA（OP）＝（1B）H，LDA（OP）＝（3C）H。MOV是傳送指令，STA為寫數(shù)指令，LDA為讀數(shù)指令。,要求：⑴分析三種指令的指令格式與尋址方式特點(diǎn)。⑵CPU完成哪一種操作所花時(shí)間最短？哪一種操作所花時(shí)間最長？第二種指令的執(zhí)行時(shí)間有時(shí)會等于第三種指令的執(zhí)行時(shí)間嗎？⑶下列情況下每個(gè)十六進(jìn)制指令字分別代表什么操作？其中如果有編碼不正確，如何改正才能成為合法指令？①(F0F1)H(3CD2)H②(2856)H③（6FD6)H④（1C2)H[解]：⑴第一種指令是單字長二地址指令，RR型；第二種指令是雙字長二地址指令，RS型，其中S采用基址尋址或變址尋址，R由源寄存器決定；第三種也是雙字長二地址指令，RS型，其中R由目標(biāo)寄存器決定，S由20位地址（直接尋址）決定。⑵處理機(jī)完成第一種指令所花時(shí)間最短，因?yàn)槭荝R型指令，不需要訪問存儲器。第二種指令所花時(shí)間最長，因?yàn)槭荝S型指令，需要訪問存儲器，同時(shí)要進(jìn)行尋址方式的變換運(yùn)算（基址或變址），,這也需要時(shí)間。第二種指令的執(zhí)行時(shí)間不會等于第三種指令，因?yàn)榈谌N指令雖然也訪問存儲器，但節(jié)省了求有效地址運(yùn)算的時(shí)間開銷。⑶根據(jù)已知條件：MOV（OP）＝001010，STA（OP）＝011011，LDA（OP）＝111100,將指令的十六進(jìn)制格式轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制代碼且比較后可知：①（F0F1）H（3CD2）H指令代表LDA指令，編碼正確，其含義是把主存（13CD2）H地址單元的內(nèi)容取至15號寄存器。②（2856)H指令代表MOV指令，編碼正確，含義是把6號源寄存器的內(nèi)容傳送至5號目標(biāo)寄存器。③（6FD6）H是單字長指令，一定是MOV指令，但編碼錯(cuò)誤，可改正為（28D6）H④（1C2）H是單字長指令，代表MOV指令，但編碼錯(cuò)誤，可改正為（28C2）H。,4．4堆棧尋址方式,堆棧是一組能存儲和取出數(shù)據(jù)的暫時(shí)存儲單元。堆棧和其他形式的存儲器之間的差別就在于，它們對數(shù)據(jù)的存取方法或?qū)ぶ贩椒ㄓ兴煌?．4．1串聯(lián)堆棧串行堆棧是由CPU當(dāng)中的一組專門的寄存器構(gòu)成。串行堆棧的最大優(yōu)點(diǎn)是速度快。4．4．2存儲器堆棧串行堆棧存的容量有限，為了突破這種限制，使用了存儲器堆棧，其優(yōu)點(diǎn)在于：l堆棧能夠具有程序員要求的任意長度；l只要程序員喜歡，愿意建立多少堆棧，就能建立多少堆棧；l可以用對存儲器尋址的任何一條指令來對堆棧中的數(shù)據(jù)進(jìn)行尋址。存儲器堆棧使用CPU中的一個(gè)特殊寄存器作為堆棧指示器。串聯(lián)堆棧和存儲器堆棧的操作方式不同，在串聯(lián)堆棧中，移動的是數(shù)據(jù)，而在存儲器堆棧中，移動的是棧頂。這主要和兩種堆棧的速度有關(guān)。堆棧兩種操作：進(jìn)棧、出棧,4．5典型指令,4．5．1指令的分類一個(gè)較完善的指令系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)包括數(shù)據(jù)傳送類指令、算術(shù)運(yùn)算類指令、邏輯運(yùn)算類指令、程序控制類指令、輸入輸出指令、字符串類指令、系統(tǒng)控制類指令。,4．5．2基本指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)的基本指令見表4.7。,4．5．3精簡指令系統(tǒng)RISC指令系統(tǒng)的特征：l選取使用頻率最高的一些簡單指令；(指令總數(shù)較少）l指令長度固定，指令格式種類少，尋址方式種類少；l只有取數(shù)／存數(shù)指令訪問存儲器，其余的指令操作都在寄存器之間進(jìn)行。因此，RISC的CPU的寄存器較多。,