计组（五）指令系统设计

一个字节：8位 一个字：16位

【微操作、微命令、微指令、微程序】 一条指令的执行过程可以分解为若干更微小的基本操作，并称这种基本操作为微操作。 控制完成微操作的命令称为微命令。 能够产生一个或多个微命令的二进制编码就称为微指令。 通过将完成一条机器指令的一系列微指令存入存储器中，然后再按顺序依次读出执行，从而完成指令的功能。并称这些完成机器指令功能的一系列微指令构成的程序称为微程序。

在要设计的CPU中，指令有两种格式：单字指令和双字指令两种（在这里规定一个字为二进制16位）。即有的指令只用一个字构成，而有的指令则需两字构成。

从指令表示上：bit3决定是单字指令还是双字指令。 从指令作用上：寻址方式决定是单字指令还是双字指令。

寄存器寻址和寄存器间接寻址的指令只需一个字即可构成； 而立即寻址、直接寻址、相对寻址和变址寻址则需要两个字，其中一个字用来表示操作码及寻址方式，另一个字表示立即数、直接地址或偏移量。

例子：

单字指令： 若指定两个操作数的ADD加法指令的操作码字段为00000001，则指令：ADD AX，［ SI］是一条寄存器间接寻址的单字指令，它由16位二进制编码。00000001 10000110组成（1000表示AX是目的地址，0110表示[SI]）。

双字指令： 若指令： ADD AX，［2000H］是一条直接寻址的双字指令，该指令由两个16位的字组成，一个为指令码字、一个为直接地址： 00000001 10001001 为指令操作码字 00100000 00000000 为直接地址字

双操作数指令的指令操作码字前缀为0000。

单操作数指令的指令操作码字为0000 1110。

转移指令的指令操作码字为0000 1111。

无操作指令的指令码前缀是0000 1111 1111.

双操作数指令设置有： 传送指令（MOV） 与指令（AND） 减法指令（SUB） 带进位加法指令（ADC） 带进位减法指令（SBC） 比较指令（CMP） 乘法指令（MUL） 除法指令（DIV） 加法指令（ADD） 或指令（OR） 异或指令（XOR）

单操作数指令设置有： 调用子程序指令（CALL） 加1指令（INC） 减1指令（DEC） 压入堆栈指令（PUSH） 弹出堆栈指令（POP） 取反指令（NOT） 左移指令（SHL） 逻辑右移指令（SHR） 算术右移指令（SAR） 小循环左移指令（ROL） 小循环右移指令（ROR） 大循环左移指令（RCL） 大循环右移指令（RCR）

尽管这类指令也是单操作数指令，在这里单独列出。设置指令有： 无条件转移指令（JMP） 零转移指令（JZ） 非零转移指令（JNZ） 有进位转移指令（JC） 无进位转移指令（JNC） 大于转移指令（JG） 大于等于转移指令（JGE） 高于转移指令（JA） 高于等于转移指令（JAE）

显然，在上述条件转移中，JC、JNC、JA、JAE是用于无符号数；而JG、JGE则用于带符号数。

无操作数指令主要有： 子程序返回指令（RET） 中断返回指令（IRET） 空操作指令（NOP） 关中断指令（CLI） 开中断指令（STI） 软件中断指令（SWI） 十进制校正指令（DAA）

指令时序是用来控制程序怎么遵从时间有秩序地执行。

PS： 若是一条无操作数指令，则不需要取操作数，CPU将直接进入执行周期。 若有操作数，不管是一个还是两个，则进入取操作数的周期。

指令时序怎么设计和执行，就是时序控制方式。（将如何根据不同指令形成不同系列控制信号所采用的控制方式称为时序控制方式）

同步控制 指令执行或指令中每个控制信号都由事先确定的统一的时序信号进行统一控制。

异步控制 当控制器发出某一操作控制信号后，等待执行部件完成操作后发回“回答”信号，再开始新的操作。

同步控制和异步控制相结合的方式。

PS： 8086CPU采用同步②（定长的机器周期，变长的指令周期）的方式，并在读/写内存或接口时，利用应答信号READY来决定机器周期的长短。

从指令时序分析，我们可以把一条指令的执行分为三个大的步骤：取指令操作码、取操作数、执行指令。

取指令操作码的过程就是从主存中将指令字取出并放在指令寄存器IR中。而且这一过程对所有的指令（不管是单字指令还是双字指令）都是一样的。

取指过程：

检测是哪种操作指令：双操作数指令、单操作数指令、转移指令和无操作数指令。

微指令控制域编码是构成微指令重要的组成部分。微指令在执行时，就是由该控制域的编码产生微命令。

通常，将微指令分为水平型微指令和垂直型微指令。

表示方式：

优点： 由于控制信号直接从微指令控制域的某位获得，不需要译码器（这种设计法也称作不译码法或直接控制法)。可以快速地产生控制信号。

缺点：

相容信号与互斥信号：

【互斥信号为什么不可以同时出现？】 凡是有可能使状态引起竞争的控制信号都是互斥的： ① 总线竞争：所有向内总线 IB 的输出信号必是互斥的。例如，PCout、BXout 等等。这些信号一旦同时出现，必定引起总线竞争，一定会造成严重后果。 ② 多功能器件的诸多功能必是互斥的。例如，ALU 某一时刻只能完成一种功能，做加法时不可能同时做减法。移位器件不可能同时进行左移和右移。 ③ CPU 对系统总线的操作是互斥的。CPU 不可能同时进行读写，读时不能写，写时不能读。 ④ 同一器件的输入和输出是互斥的。例如，BXin，BXout 是互斥的。

字段编码法：它将控制域分为若干字段，互斥的信号放在同一字段、相容的信号放在不同字段。

【为什么互斥的信号放在同一字段、相容的信号放在不同字段？】 同一字段只会同时执行一个信号，那么互斥的只有一个；不同字段可以同时执行多个信号，那么可以相容。

【字段编码法如何生效多个字段的指令，如何不生效某个字段的指令？】 在每个字段中设计一个无效控制信号NOP的编码来不生效某个字段的指令。控制域的某字段有 m 位，则可以提供 2 m − 1 2^m-1 2m−1个控制信号的编码。

【一种字段编码法的控制域字段】 ① 输出到内总线的命令 XXout微命令，它们是命令某个寄存器将其内容输出到内总线IB上。 它们放在一个用 4bit 编码的字段中，若从 0000 到 1011 的编码顺序表示从 NOP 到 Tout，则 PCout微命令必为 1001。该命令即可完成 PC→IB 微操作。 ② 触发寄存器的命令 XXin微命令，它们是命令内总线IB上的内容输出到某个寄存器上。 这些命令用这 4 位编码来表示。同样，若从 0000 到 1100 的编码顺序表示从 NOP 到 Tin，则 PCin微命令 必为 1001。该命令即可完成 IB→PC 微操作。 ③ 其他微命令 根据信号的多少决定该字段编码的位数。例如，ARin的编码应为二进制 10。

共27位。

例子： 如果 CPU 执行机器指令只需 50 余种微命令，则可用 6 位二进制编码构成微指令的控制字段。因为，一种编码只指定一种微命令，6 位编码有 64 种，足以表示这 50 几种微操作命令。可以想像其构成的微指令一定是很短的。

共9+4+27=40位。

表示PCout，ARin

微指令是一串微命令的结合。 微操作和微命令互相转化（其实就是微操作和微指令的互相转化）。

我们规定一个机器周期由 4 个节拍来实现。

微操作 取指过程：

对应的取指的微操作命令：

① MOV AX, 4000H 该指令的取操作数周期过程如下： W0 PCout，ARin W1 AR→AB，RD，PC＋1 W2 MD→DB，DRin W3 DRout，AXin 这里要说明的是，该指令取操作数周期结束，该指令执行也就结束。利用最后的节拍启动下一条指令的 FIC 周期。

② ADD BX, ［DI］ 该指令的取操作数周期过程如下： W0 DIout，ARin W1 AR→AB，RD W2 MD→DB，DRin W3 DRout，Sin 在此取操作数的周期结束时，就将以 DI 的内容为内存地址的存储器单元的内容读出并放在暂存器 S 中，其输出加到了 ALU 的一边，接着就进行下一步执行周期EXEC。

③ 转移指令 在这里写出无条件转移和满足条件的条件转移的取操作数微操作命令安排。不 满足条件顺序执行前面己经提到，这里不再说明。 W0 PCout，ARin W1 AR→AB，RD，PC＋1 W2 MD→DB，DRin W3 DRout，Sin 将指令操作数即偏移地址取出放入暂存器 S。

④ INC ［BX］ 该指令的取操作数周期过程如下： W0 BXout，ARin W1 AR→AB，RD W2 MD→DB，DRin W3 DRout，Sin 在此取操作数的周期结束时，就将以 BX 的内容为内存地址的存储器单元的内容读出并放在暂存器 S 中，其输出加到了 ALU 的一边，接着就启动下一步执行周期EXEC。

⑤ SHR CX 该指令的取操作数周期过程如下： W0 W1 W2 W3 CXout，Sin

① MOV AX, 4000H 该指令取指令操作数与执行周期合在一起，前面己经说明。

② ADD BX, ［DI］ 该指令的执行周期过程如下： W0 S→ALU W1 BXout→ALU W2 ALU，ADD→T，Tin W3 Tout，BXin 在此周期里，ALU 将放在 S 中的操作数与 BX 的内容相加送 T，T 输出放回 BX中。

③ 转移指令 在这里写出无条件转移和满足条件的条件转移的执行周期微操作命令安排。 W0 S→ALU， W1 PCout→ALU W2 ALU，ADD→T，Tin W3 Tout，PCin 将 PC 的当前值与偏移地址相加，构成目的地址放 PC。

④ INC ［BX］ 该指令的执行周期过程如下： W0 S→ALU W1 ALU＋1→T，Tin W2 Tout，DRin W3 DR→DB，WR 在此周期中，将上面周期取得的操作数经 ALU 加 1，再送到数据寄存器 DR 中。此时，AR 中仍存有操作数的地址，送时就将 DR 出的数据写回原来的地址，

⑤ SHR CX 该指令的执行周期过程如下： W0 S→ALU W1 ALU 直通→T，Tin W2 T 逻揖右移一次 W3 Tout，CXin

⑥ IRET 中断返回指令由取指周期直接进入执行周期，其过程为： W0 SPout，ARin W1 AR→AB，RD，SP＋1 W2 MD→DB，DRin W3 DRout，PCin

⑦ 中断响应过程 INTA 对中断请求响应时，CPU 仅保护 PC 的内容，并且由硬件提供该中断的中断向量。其过程为： W0 SPout，ARin W1 AR→AB，SP－1 W2 PCout，DRin W3 DR→DB，WR W0 0→IF，IFin W1 W2 W3 IVout，PCin 中断响应过程需两个机器周期，第 1 个机器周期保护断点 PC 的内容入堆栈。第 2 个机器周期关中断（使 IF＝0），并将特定的该中断的中断向量 IV 放入 PC，并启动取指周期。则下一个机器周期 CPU 必定进入该中断的中断处理程序入口开始执行。

【问的是什么？微操作流程还是微流程】 实现指令 ADD AX, BX（功能为(AX)+(BX)→AX ）

【问的是哪些阶段？是所有阶段还是只写指令执行阶段】

将源操作数放入S中，再由S输入到ALU中 将目的操作数直接输入到ALU中

ADD AX, [BX]

（取指） ① PCout，ARin ② AR→AB，RD，PC＋1 ③ MD→DB，DRin ④ DRout，IRin

（将[BX]对应的储存器中的数取出，放到S中） ⑤ BXout，ARin ⑥ AR→AB，RD ⑦ MD→DB，DRin ⑧ DRout，Sin ⑨ S→ALU

（将AX中的数取出，放到S中） ⑩ AXout→ALU

（两数相加，并将结果放入AX） 11.ADD→T，Tin 12.Tout，AXin

ADD BX, ［DI］

① PCout，ARin ② AR→AB，RD，PC＋1 ③ MD→DB，DRin ④ DRout，IRin

⑤ DIout，ARin ⑥ AR→AB，RD ⑦ MD→DB，DRin ⑧ DRout，Sin ⑨ S→ALU

⑩ BXout→ALU

11 ADD→T，Tin 12 Tout，BXin

ADD AX，DISP(SI)

（取指） ① PCout，ARin ② AR→AB，RD，PC＋1 ③ MD→DB，DRin ④ DRout，IRin

（计算偏移地址） ⑤ PCout，ARin ⑥ AR→AB，RD，PC＋1 ⑦ MD→DB，DRin ⑧ DRout，Sin ⑨ S→ALU

⑩ SIout→ALU

11 ADD→T，Tin 12 Tout，ARin

（取内存中数） 13 AR→AB，RD， 14 MD→DB，DRin 15 DRout，Sin 16 S→ALU

（将AX中的数取出，放到S中） 16 AXout→ALU

（两数相加，并将结果放入AX） 17 ADD→T，Tin 18 Tout，AXin

① PCout，ARin ② AR→AB，RD，PC＋1 ③ MD→DB，DRin ④ DRout，IRin

⑤ PCout，ARin ⑥ AR→AB，RD，PC＋1 ⑦ MD→DB，DRin ⑧ DRout，Sin S→ALU ⑨ DIout→ALU 10 ADD→T，Tin 11 Tout，ARin 12 AR→AB，RD， 13 MD→DB，DRin 14 DRout，Sin 15 S→ALU 16 BXout→ALU 17 SUB→T，Tin 18 Tout，BXin

INC ［BX］

① PCout，ARin ② AR→AB，RD，PC＋1 ③ MD→DB，DRin ④ DRout，IRin

⑤ BXout，ARin ⑥ AR→AB，RD ⑦ MD→DB，DRin ⑧ DRout，Sin ⑨ S→ALU

⑩ ALU＋1→T，Tin 11 Tout，DRin 12 DR→DB，WR