指令和數(shù)據(jù)的尋址方式.ppt
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43指令和數(shù)據(jù)的尋址方式,操作數(shù)或指令在存儲(chǔ)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(chǔ)單元時(shí)其存儲(chǔ)單元的編號(hào)。在存儲(chǔ)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(chǔ)方式和堆棧存儲(chǔ)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(lái)計(jì)數(shù)指令的順序號(hào),該順序號(hào)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(kāi)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(lái)說(shuō),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(guò)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(guò)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(méi)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(duì)單地址指令格式來(lái)說(shuō)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(wèn)內(nèi)存取數(shù)。例如:?jiǎn)蔚刂返囊莆恢噶罡袷綖镺P(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)F1,操作數(shù)進(jìn)行右移;當(dāng)F0時(shí),操作數(shù)進(jìn)行左移。,432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ED。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(duì)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(shuō)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(lái),指令有如下形式:操作碼ID尋址特征位I0,表示直接尋址,這時(shí)有效地址ED;I1,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。,432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(hào),而是通用寄存器的編號(hào)。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(duì)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。“相對(duì)”尋址,就是相對(duì)于當(dāng)前的指令地址而言。采用相對(duì)尋址方式的好處是程序員無(wú)須用指令的絕對(duì)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(duì)于當(dāng)前指令地址進(jìn)行浮動(dòng)?;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(zhǎng),從而可以在較大的存儲(chǔ)空間中尋址。,432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(lái)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(chǔ)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(zhǎng)度(字?jǐn)?shù)或字節(jié)數(shù))。如果數(shù)據(jù)塊是變長(zhǎng)的,可用三種方法指出它的長(zhǎng)度:(1)指令中劃出字段指出長(zhǎng)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(zhǎng)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(chǔ)空間的直接尋址能力。為此將整個(gè)1M空間存儲(chǔ)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(lái)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。,433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(zhǎng)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(hào)尋址方式寄存器號(hào)|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(jiàn)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(guò)I,X,D的組合,可構(gòu)成下表所示的尋址方式。請(qǐng)寫出六種尋址方式的名稱。尋址方式IX有效地址E算法說(shuō)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:直接尋址相對(duì)尋址變址尋址寄存器間接尋址間接尋址基址尋址,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:分析三種指令的指令格式與尋址方式特點(diǎn)。CPU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(zhǎng)?第二種指令的執(zhí)行時(shí)間有時(shí)會(huì)等于第三種指令的執(zhí)行時(shí)間嗎?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?(F0F1)H(3CD2)H(2856)H(6FD6)H(1C2)H解:第一種指令是單字長(zhǎng)二地址指令,RR型;第二種指令是雙字長(zhǎng)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(zhǎng)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。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(wèn)存儲(chǔ)器。第二種指令所花時(shí)間最長(zhǎng),因?yàn)槭荝S型指令,需要訪問(wèn)存儲(chǔ)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(huì)等于第三種指令,因?yàn)榈谌N指令雖然也訪問(wèn)存儲(chǔ)器,但節(jié)省了求有效地址運(yùn)算的時(shí)間開(kāi)銷。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:(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(hào)寄存器。(2856)H指令代表MOV指令,編碼正確,含義是把6號(hào)源寄存器的內(nèi)容傳送至5號(hào)目標(biāo)寄存器。(6FD6)H是單字長(zhǎng)指令,一定是MOV指令,但編碼錯(cuò)誤,可改正為(28D6)H(1C2)H是單字長(zhǎng)指令,代表MOV指令,但編碼錯(cuò)誤,可改正為(28C2)H。,44堆棧尋址方式,堆棧是一組能存儲(chǔ)和取出數(shù)據(jù)的暫時(shí)存儲(chǔ)單元。堆棧和其他形式的存儲(chǔ)器之間的差別就在于,它們對(duì)數(shù)據(jù)的存取方法或?qū)ぶ贩椒ㄓ兴煌?41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。442存儲(chǔ)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(chǔ)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(zhǎng)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(duì)存儲(chǔ)器尋址的任何一條指令來(lái)對(duì)堆棧中的數(shù)據(jù)進(jìn)行尋址。存儲(chǔ)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(chǔ)器堆棧的操作方式不同,在串聯(lián)堆棧中,移動(dòng)的是數(shù)據(jù),而在存儲(chǔ)器堆棧中,移動(dòng)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,45典型指令,451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。,452基本指令系統(tǒng)指令系統(tǒng)的基本指令見(jiàn)表4.7。,453精簡(jiǎn)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(jiǎn)單指令;(指令總數(shù)較少)l指令長(zhǎng)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(wèn)存儲(chǔ)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。,- 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