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  • 指令的概念和基本格式:是指计算机执行某种操作的命令,计算机的所有指令的集合构成指令集,也叫做指令系统,位于计算机的硬件和OS层面。 不同计算机只能执行自己系统的指令,如Intel的x86架构,手机是ARM...

    4.1.1指令的基本概念和指令的基本格式

    操作码:指明CPU进行什么操作。
    地址码:知指明CPU对谁进行操作。
    PC:程序计数器,每执行一条指令会+1指向下一条指令。
    指令的概念和基本格式:是指一台计算机执行某种操作的命令,一台计算机的所有指令的集合构成指令集,也叫做指令系统,位于计算机的硬件和OS层面。
    不同计算机只能执行自己系统的指令,如Intel的x86架构,手机是ARM架构,因此手机App和电脑不互通。
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    4.1.2指令的分类

    4.1.2.1按照地址码数量分类

    1)零地址指令:只给出操作码OP,无显式地址,有两种情况:不需要操作数的指令,如空操作,停机,关中断。零地址的运算类指令只用在堆栈计算机中,参与运算的两个操作数隐含在栈顶和次栈顶。计算结果压会栈顶,如栈运算的后缀表达式。
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    2)一地址指令:只有一个操作数,OP(A1) -> A1,如自加自减求反求补。或者需要两个操作数但其中一个操作数隐含在寄存器如ACC中,(ACC)OP(A1) ->ACC。完成一条一地址指令需要访存三次,取指令->读A1->写A1。
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    3)二地址指令:有两个操作数,通常为算术运算和逻辑运算相关。(A1)OP(A2)->A1。完成一条一地址指令需要访存四次,取指令->读A1->读A2->写A1。
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    4)三地址指令:两个操作数,通常为算术运算或者逻辑运算相关。(A1)OP(A2)->A3。完成一条一地址指令需要访存四次,取指令->读A1->读A2->写A3。
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    5)四地址指令:(A1)OP(A2)->A3。完成一条一地址指令需要访存四次,取指令->读A1->读A2->写A3,执行完指令后。程序计数器的值不是+1,而是指向下一条要执行的指令A4地址。
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    4.1.2.2按照指令长度分类

    半字长指令,单字长指令,双字长指令。这里半字长,单字长,双字长是说指令长度是机器字长的多少倍。
    有的计算机是定长指令字结构:所有指令长度都相同。
    有的计算机是变长指令字结构:各种指令字长度不同

    4.1.2.3按照操作码长度分类

    定长操作码:所有指令的操作码长度相同。容易设计但灵活性低。

    可变长操作码:各种指令的操作码长度可变。使得控制器的译码器电路设计复杂,但是灵活性高。

    4.1.2.4按照操作类型分类

    数据传送类型如LOAD,把存储器的数据放到寄存器中,完成了主存和CPU之间的数据传送;
    算术逻辑操作如加减乘除等;
    移位操作如逻辑移位和算术移位以及循环移位;
    转移操作如实现程序执行流如调用和返回会使得PC的数值改变;
    输入输出操作如CPU寄存器和IO端口之间的数据传送。
    大类上,数据传送是数据传送类型,算术逻辑操作和移位操作是运算类操作,转移操作是程序控制类操作,输入输出操作是输入输出类。

    4.1.3定长操作码格式

    定长操作码,指令在指令的最高位分配固定若干位表示操作码,n位操作码的指令最大可以表示2n位条指令,定长操作码可以提高计算机指令译码和识别速度。

    4.1.4可扩展操作码指令格式

    定长指令字结构+可变长操作码 -> 扩展操作码指令格式。
    假设下列一种情况,指令字长16位,每个地址码4位
    三地址指令:在这里插入图片描述
    操作码为16 - 4 * 3 = 4位,若全部用于三地址指令,则24 = 16条,若还需要设计其他指令如二地址和一地址以及零地址,需要把操作码为1111的情况留作扩展操作码使用,则三地址指令为0000~1110间15条。

    二地址指令:
    在这里插入图片描述
    操作码为8位,情况同上,只能1111 0000 ~ 1111 1110间15条指令。计算方式同上。

    一地址指令:
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    操作码为12位,情况同上,只能1111 1111 0000 ~ 1111 1111 1110间15位。计算方式同上。
    零地址指令:
    在这里插入图片描述
    操作码为16位,1111 1111 1111 0000 ~ 1111 1111 1111 1111间16位。此时不再需要留出一条作为扩展操作码使用。当然了,若指令长位32位或者更长,操作码还可以扩展的话,那就是1111 1111 1111 0000 ~ 1111 1111 1111 1110间15位了,情况以此类推。

    关于扩展操作码格式需要注意事项:
    不允许短码是长码的前缀,如,二地址指令的操作码前4位是1111,三地址指令的操作码不能是1111,否则CPU就不能识别。
    各指令操作码不能重复,否则也会使得CPU无法识别。

    关于扩展操作码,CPU识别的过程:
    在这里插入图片描述
    这里仍然使用讲义截图,使得PC先指向0,假设16位长度指令,操作码为4位二进制,地址码为12位二进制。CPU可以识别到第一条指令操作码是0000,是三地址指令,CPU中程序计数器(PC)识别到该程序是取变量a到ACC中,执行完毕PC+1;
    此时要执行第二条指令,假设第二条指令是二地址指令且后续还有一地址指令,那么正常情况,操作码应该是1111 0000 ~ 1111 1110,CPU会先识别到前四位是1111,再继续识别后面四位,如果后四位不是1111而是0000 ~ 1110,则该指令是二地址指令,如果后面四位是1111,则是一地址指令1111 1111 0000 ~ 1111 1111 1111,若第二条指令操作码变成1110 0000,因为1110与三地址指令的操作码相同,CPU中PC就会把第二条指令读取到前四位1110结束,不再读取后面操作码,当作三地址指令去执行,然而实际上地址码只有8位,执行会出错。
    后续指令执行的过程也相同,可以自行画图推理。

    通常情况下,执行频率高的指令,会分配较短的操作码,使得译码器译码和分析时间减短;执行频率较低的指令,会分配较长的操作码。

    讲义中还附上了另一种指令设计的思路

    在这里插入图片描述
    这里的设计思路,一地址指令A1中的1100 ~ 1110与A2中的0000 ~1111对应,A1中1111与A2中0000 ~ 1101对应。零地址指令同上。

    这里还有一个需要注意的公式,对于扩展操作码,假设地址长度为n,上一层留出m种状态,下一层可以扩展出m * 2n种状态。

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  • 计算机的所有指令的集合构成指令集 计算机只能执行自己指令系统的指令,不能执行其他系统的指令 指令格式——地址码 定长指令字结构:指令长度固定 变长指令字结构:指令长度不等 指令格式——...

    笔记整理来源于王道考研

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    指令格式

    • 又称机器指令,是指计算机执行某种操作的命令,是计算机运行的最小功能单位

    • 一台计算机的所有指令的集合构成指令集

    • 一台计算机只能执行自己指令系统的指令,不能执行其他系统的指令

      指令格式——地址码

    • 定长指令字结构:指令长度固定

    • 变长指令字结构:指令长度不等

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    指令格式——操作码

    操作码就是上面的OP

    • 定长操作码:n 位–> 2^n 条指令
    • 变长操作码–>扩展操作码

    扩展操作码

    • 不允许短的操作码是长码的前缀
    • 各指令的操作码一定不能重复

    在上一层指令格式上,我们在操作码的指令数上留出一种或者多种的操作数来作为下一层的指令扩展,比如在三地址指令格式上,我们留出全 1 (1111)来扩展下一层二地址指令格式,因为 4 位操作码和 8 位操作码在读取时可能会造成识别问题,所以留出1111来作为下一层的扩展,表示在读取前4 位1111时,就意味着下面紧接着读取的也是操作码,而不是地址码,也就是二指令的格式。

    • 通常情况下,对使用频率较高的指令,分配较短的操作码,对使用频率较低的指令,分配较长的操作码,减少指令译码和分析时间

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    例题

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    指令的操作类型

    1. 数据传送
    2. 算术逻辑
    3. 移位操作(算术,逻辑,循环)
    4. 转移操作
    5. 输入输出操作

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    指令寻址

    数据存放

    • 字节存储,字存储
    • 机器字长,指令字长,存储字长

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    边界对齐与不对齐存储

    边界对齐:起始地址是字长(按字节算)的整数倍

    寻址方式(两种)——由程序计数器PC给出

    • 顺序寻址
    • 跳跃寻址

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    数据寻址

    操作数类型

    地址 数字 字符 逻辑数
    无符号数 定点数,浮点数,十进制 ASCII码 逻辑运算

    寻址方式

    利用不同寻址方式对形式地址进行处理,求出有效地址

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    立即寻址

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    直接寻址

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    间接寻址

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    寄存器寻址

    寄存器是CPU内部用来存放数据的一些小型存储区域,用来暂时存放参与运算的数据和运算结果

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    寄存器间接寻址

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    隐含寻址

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    寻址方式 有效地址 访存次数
    隐含寻址 程序指定 0
    立即寻址 A即是操作数 0
    直接寻址 EA=A 1
    一次间接寻址 EA=(A) 2
    寄存器寻址 EA=Ri 0
    寄存器剪辑一次寻址 EA=(Ri) 1

    偏移寻址

    1. 基址寻址

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    2. 变址寻址

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    3. 相对寻址

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    例题

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    寻址方式 有效地址 访存地址
    相对寻址 EA=(PC)+A 1
    基址寻址 EA=(BR)+A 1
    变址寻址 EA=(IX)+A 1

    堆栈寻址

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    实现堆栈的硬件

    • 使用寄存器叫硬堆栈
    • 使用主存叫软堆栈

    CISC和RISC

    CISC RISC
    复杂指令集 精简指令集
    一条指令完成一个复杂的基本功能 一条指令完成一个基本“动作”,多条指令组合完成一个复杂的基本功能
    X86架构,笔记本,台式机 ARM架构,手机,平板

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  • 一台计算机的所有指令的集合 指令系统是计算机的主要属性,位于硬件和软件的交界面上 指令的基本格式 指令 一条指令通常包括操作码字段和地址码字段两部分 操作码:指出指令中指令应该执行什么性质的操作和具有...

    4.1 指令格式

    思维导图

    在这里插入图片描述

    基本概念

    指令:

    • 是指示计算机执行某种操作的命令,计算机运行的最小功能单位
    • 一条指令通常包括操作码字段和地址码字段两部分

    指令系统(指令集):

    • 一台计算机的所有指令的集合
    • 指令系统是计算机的主要属性,位于硬件和软件的交界面上

    指令的基本格式

    指令

    • 一条指令通常包括操作码字段和地址码字段两部分

    • 操作码:指出指令中指令应该执行什么性质的操作和具有何种功能。
      操作码是识别指令、了解指令功能及区分操作数地址内容的组成和使用方法的关键信息。

    • 地址码:给出被操作的信息(指令或数据)的地址,包括参加运算的一个或多个操作数所在的

    • 指令长度:

      • 是指一条指令中所包含的二进制代码的位数
      • 指令的长度取决于操作码的长度、操作数地址码的长度和操作数地址的个数,与机器字长没有固定的关系。
    • 分类:(机器字长比较)

      • 单字长指令
      • 半字长指令
      • 双字长指令
    • 两种结构:

      • 定长指令结构

        • 一个指令系统中,所有的指令的长度都是相等的
        • 特点:执行速度快,控制简单
      • 变长指令结构

        • 各指令长度随指令功能而异

    零地址指令

    • 只给出操作码OP,没有显式地址。

    • 可能:

      • 不需要操作数的指令,如空操作指令、停机指令、关中断指令等
      • 零地址的运算类指令仅用在堆栈计算机中。通常参与运算的两个操作数隐含地从栈顶和次栈顶弹出,送到运算器进行运算,运算结果再隐含地压入堆栈。

    一地址指令

    • 两种形式,要根据操作码的含义确定为哪一种

    • 两种形式

      • 只有目的操作数的单操作数指令,按A1地址读取操作数,进行OP操作后,结果存回原地址。
        指令含义:OP(A1)→A1如操作码含义是加1、减1、求反、求补等。
      • 隐含约定目的地址的双操作数指令,按指令地址A1可读取源操作数,指令可隐含约定另个操作数由AC(累加器)提供,运算结果也将存放在ACC中。
        指令含义:( ACC)OP(A1)→ACC
        若指令字长为32位,操作码占8位,1个地址码字段占24位,则指令操作数的直接寻址范围为2^24=16M

    二地址指令

    • 指令含义:(A1)OP(A2)→A1
      对于常用的算术和逻辑运算指令,往往要求使用两个操作数,需分别给出目的操作数和源操作数的地址,其中目的操作数地址还用于保存本次的运算结果

    三地址指令

    • 指令含义:(A1)OP(A2)→A3
      A3用來存放結果

    四地址指令

    • 指令含义:(A1)OP(A2)→A3,A4=下一条将要执行指令的地址。

    定长操作码指令格式

    • 定长操作码指令在指令字的最高位部分分配固定的若干位(定长)表示操作码
    • 定长操作码对于简化计算机硬件设计,提高指令译码和识别速度很有利。

    扩展操作码指令格式

    • 目的:为了在指令字长有限的前提下仍保持比较丰富的指令种类,采取可变长度操作码

    • 特性:增加指令译码和分析的难度,使控制器的设计复杂化

    • 最常见的变长操作码方法是扩展操作码,它使操作码的长度随地址码的减少而增加,不同地址数的指令可具有不同长度的操作码,从而在满足需要的前提下,有效地缩短指令字长。

    在设计扩展操作码指令格式时:需要注意:

      1. 不允许短码是长码的前缀,即短操作码不能与长操作码的前面部分的代码相同。
      1. 各指令的操作码一定不能重复

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  • 计算机组成原理——指令格式

    万次阅读 多人点赞 2019-06-01 02:24:00
    计算机是通过执行指令来处理各种数据的。为了指出数据的来源、操作结果的去向及所执行的操作,一条指令必须包含下列...(5)下一条将要执行指令的地址A4A_{4}A4​ 由上可得,一条指令包括两种信息:操作码,地址码 ...

    计算机是通过执行指令来处理各种数据的。为了指出数据的来源、操作结果的去向及所执行的操作,一条指令必须包含下列信息:

    (1)操作码(OP),具体说明了操作的性质及功能
    (2)第一操作数的地址A1A_{1}
    (3)第二操作数的地址A2A_{2}
    (4)操作结果存放地址A3A_{3}
    (5)下一条将要执行指令的地址A4A_{4}

    由上可得,一条指令包括两种信息:操作码,地址码

    操作码 地址码

    此外补充一下其他知识:
    字长:计算机在单位时间内(同一时间)能一次处理一组二进制数的位数,决定了计算机的运算精度和一次处理能力。其中包含了CPU、寄存器、Data bus等能够一次传输数据的能力

    字节:1Byte=8bit

    地址码长度(操作数):地址码的位数,存储器可以按字长存储单元或字节存储单元编址,地址码的位数可以寻2N2^{N}个存储单元地址。所以地址码长度决定了指令的直接寻址能力。

    指令长度:操作码长度+操作数地址码长度+操作数地址个数。指令长度和字长没有固定的联系

    一、定长编码指令格式
    这是最简单的一种编码方法。操作码字段的位数和位置固定,为能够表示整个指令系统中的全部指令,指令的操作码字段应当具有足够的位数。
    设指令系统共有m条指令,指令中操作码字段的位数为N位,则满足
    m<=2N2^{N}
    在这里插入图片描述
    上图为IBM370机的指令格式

    二、变长编码指令格式
    变长编码的操作码字段位数是不固定的,且分散地放在指令字的不同位置上。
    在这里插入图片描述
    上图为PDP-11机的指令格式图(PPT里截的图)


    下面放一道例题来熟悉一下这两种编码方式的应用

    例:设某计算机字长16位,欲使设计的指令系统有零地址指令16条,一地址指令有15条,二地址指令有15条,三地址指令有15条,设每个地址码字段为4位,应如何设计?

    解法一、定长操作码解法

    共需要满足15+15+15+16=61条指令

    262^{6}=64>61

    所以操作码长度为6位
    零地址指令长度6位
    一地址指令长度10位
    二地址指令长度14位
    三地址指令长度18位

    若要求指令字长为字节的整数倍,则
    零地址指令长度8位
    一地址指令长度16位
    二地址指令长度16位
    三地址指令长度24位

    解法二、操作码扩展技术解法

    242^{4}=16>15

    指令格式为在这里插入图片描述
    各个字段均为4位,指令长度16位。
    (1)把4位操作码的编码0000~1110作为15条三地址指令的操作码,1111作为扩展窗口把操作码扩展到A1A_{1}

    (2)8位操作码编码1111 0000~1111 1110作为15条二地址指令,1111 1111作为扩展窗口把操作码扩展到A2A_{2}

    (3)12位操作码编码1111 1111 0000~1111 1111 1110作为15条一地址指令,1111 1111 1111作为扩展窗口把操作码扩展到A3A_{3}

    (4)最后16位操作码编码1111 1111 1111 0000~1111 1111 1111 1111作为16条零地址指令。

    PS:操作码扩展法即在4位二进制表示的16个码点中,用前15个(0000开始到1110)来表示最常用指令的操作码,剩余的一个码字(1111)作为扩展窗口把操作码扩展到下一个4位。下一个4位表示的16个码字按照同样的原则处理和扩展。

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  • 计算机指令

    2017-03-28 09:45:44
    一台计算机所能执行的各种不同指令的全体,叫做计算机的指令系统,第一台计算机均有自己的特定的指令系统,其指令内容和格式有所不同。  通常一条指令包括两方面的内容:操作码和操作数,操作码决定要
  • 一条指令就是机器语言的一个语句,它是一组有意义的二进制代码,指令的基本格式如下: 操作码字段 地址码字段 操作码部分指出了计算机要执行什么样的操作,如加法、减法、取数、存数等。 地址码字段包含个...
  • 台模拟机共有7指令,各指令的使用频度分别为35%,25%,20%,10%,5%,3%,2%。该模拟机有8位和16位两种指令长,采用2-4扩展操作码,8位字长指令为寄存器-寄存器(R-R)二地址类型,16位字长指令为寄存器-存贮器(R-...
  • 4.1 指令格式

    2020-09-26 13:41:47
    给出下一条指令的地址 给出要操作的对象的地址 3.CISC和RISC 两种设计方向 1.指令(又称机器指令) 是提示计算机执行某种操作的命令,是计算机运行的最小功能单位 一台计算机的所有指令的集合构成该机的指令...
  • 计算机指令系统

    2015-02-13 10:32:14
    一条指令就是机器语言的一个语句,它是一组有意义的二进制代码,指令的基本格式如:操作码字段+地址码字段,其中操作码指明了指令的操作性质及功能,地址码则给出了操作数或操作数的地址。 RISC Reduced ...
  • 指令格式的知识点整理

    千次阅读 2019-01-01 21:37:50
    一条机器指令是由若干位二进制表示的0、1代码组合而成的。 什么是指令系统 指令系统(又称指令集):一台计算机中实现各种(所有)功能的机器指令的集合。 指令的基本格式 指令=操作码字段+地址码字段 操作码字...
  • 指令系统 —— 指令格式

    千次阅读 2019-07-30 11:08:25
    指令的长度是指一条指令中所包含的二进制代码的位数,因为主存一般是按字节编址的,所以指令的长度一般为字节的整数倍 指令长度与机器字长没有固定的关系,它可以等于机器字长,也可以大于或小于机器字长。根据指令...
  • 一条指令就是机器语言的一个语句,它是一组有意义的二进制代码,指令的基本格式如下; 操作码部分指出了计算机要执行什么性质的操作,如加法,减法,取数,存数等。地址码字段需要包含个操作数的地址及操作结果的...
  • 指令系统——指令格式(详解)

    千次阅读 多人点赞 2020-06-08 20:52:34
    一台计算机的所有指令的集合构成该机的指令系统,也称为指令集。 注:一台计算机只能执行自己指令系统中的指令,不能执行其他系统的指令。 三、指令格式 一条指令就是机器语言的一个语句,它是一组有意义的二进制...
  • 确定本条指令的操作数地址,下一条要执行指令的指令地址 寻址方式: 指令寻址 数据寻址 指令寻址 顺序:(PC)+1->PC 跳跃:由转移指令指出 数据寻址 指令格式 操作码 寻址特征 形式地址A 形式地址:指令...
  • 指令系统是指计算机所能执行的全部指令的集合,它描述了计算机内全部的控制信息...一条指令就是机器语言的一个语句,它是一组有意义的二进制代码,指令的基本格式如:操作码字段+地址码字段,其中操作码指明了指令的
  • (1)按给定的数据格式和指令系统,运用“计算机原理”课程学得的知识,在所提供的器件范围内,用vhdl或verilog语言设计个8位的具有28条指令的CPU模型机系统。 (2)所设计出的计算机的系统的完整逻辑图,整理出...
  • 计算机的所有指令的集合构成该机的指令系统,也称指令集。 不同计算机的指令系统不一定兼容 基本概念 指令:控制计算机执行某种操作的命令。 机器语言:计算机硬件实体直接表示控制信息的语言。 *机器语言程序...
  • 指令格式设计

    千次阅读 2019-10-12 13:02:18
    例1: 某计算机字长32位,采用三地址指令,...执行一条指令最多要访问多少次主存? 解: 根据题目条件,指令格式如下: OP=6位 (寻址方式)X1=X2=X3=3位,共9位 (源操作数)A1=A2=11位,(目的操作数)A3=10位...
  • 机器指令:介于微指令和宏指令之间,每一条指令可完成一个独立的算术运算或逻辑运算。 指令系统的定义:一台计算机中的所有机器指令的集合。 指令系统的功能:表示一台计算机性能的重要因素,是设计一台计算机的...
  • 计算机原理-指令系统: 名词解释: ... 指令系统:一台计算机能直接理解与执行的全部指令的集合称 为该机的指令系统,也叫机器语言。 指令格式一条指令必须包括:操作码;操作数;地址操作结果
  • 指令格式和数据寻址方式

    千次阅读 2016-12-28 19:31:01
    一条指令的地址通常由程序计数器按顺序给出。 ②二地址指令:地址域中A1确定第一操作数地址,A2同时确定第二操作数地址和结果地址。 ③单地址指令:地址域中A 确定第一操作数地址。固定使用某个寄存器存放第二...
  • x86指令格式

    2017-06-28 18:59:22
    计算机处理器芯片运行时,它读取存储在内存中的指令码。每个指令码集合可能包含个或多个字节信息,这些信息指示处理器完成特定任务。每条指令码都是从内存中读取指令码所需数据也是存储在内存中并从...
  • 指令系统:一台计算机中所有机器指令的集合。 CISC:复杂指令系统计算机(Complex Instruction Set Computer) • 增强指令功能,设置功能复杂的指令 • 面向目标代码,面向高级语言、面向操作系统 • 用一条指令代替...
  • 计算机执行指令

    2017-01-25 10:39:00
    ADD这是一条加法指令 通用寄存器R0内容+地址为6存储单元内容=运算结果(更新到R0) 2.过程 R0里面数为00000011十进制为3 地址为0110(6)存储单元内容为00000010十进制为2 也就是计算3+2=5并且把运算结果...
  • 指令字(简称指令):表示一条指令的机器字。 指令格式:是指令自用二进制代码表示的结构形式,由操作码字段和地址码字段组成。 操作码字段:表征指令的操作特性与功能 (指令的唯一标识) 不同的指令操作码不能...
  • 4.下一条指令的地址 一条指令实际上包含两种信息即操作码和地址码。用来表示该指令所要完成的操作;地址码用来描述该指令的操作对象。 按地址码的多少分为: 1、零地址指令: 格式:OPCODE OPCODE- 操作码 ...
  • 详细了解计算机指令系统

    千次阅读 2009-02-23 10:21:00
    指令系统指计算机中所有机器指令(基本操作)的集合,是表征计算机性能的重要因素,它的格式与功能不仅直接影响到机器的硬件结构,而且也直接影响到系统软件,影响到机器的适用范围。 指令系统的发展历程:50...
  • 这是操作码不固定的指令格式,四位是基本的操作码,还可以扩充,但是指令的字数不变,就是说把不用的地址码部分可以做操作码用。 例如:假设某机器的指令长度为16位,包括4位基本操作码和三个4位地址码段。 ①表示三...
  • (PC)+1,自动形成下一条指令地址 跳跃寻址 转移指令给出 数据寻址 定义:在指令中表示一个操作数地址方式,并用这种方式得到操作数地址 指令格式: 常见寻址方式 隐含寻址 这种类型的指令不明显地...

空空如也

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一条计算机指令的格式