计算机组成原理 指系统课件

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1、http:/ 指令系统（时间：3次课，6学时）http:/计算机组成原理 指令系统 本章讲述计算机指令功能、指令中包含的本章讲述计算机指令功能、指令中包含的信息、指令的一般格式、被指令处理的数信息、指令的一般格式、被指令处理的数据如何存储在计算机中、指令如何寻找被据如何存储在计算机中、指令如何寻找被处理的数据、指令分类、指令系统的兼容处理的数据、指令分类、指令系统的兼容性等问题，并列举几种类型的计算机指令性等问题，并列举几种类型的计算机指令系统，由此可以较为深刻地理解计算机指系统，由此可以较为深刻地理解计算机指令和指令系统的意义。令和指令系统的意义。 http:/计算机组成原理 指令系统n5.

2、1 计算机指令概念计算机指令概念 n5.2 指令格式指令格式 n5.3 数据的表示和存储数据的表示和存储 n5.4 寻址方式寻址方式 n5.5 指令类型指令类型 n5.6 指令系统举例指令系统举例 n5.7 机器语言、汇编语言和高级语言机器语言、汇编语言和高级语言 http:/计算机组成原理 指令系统n软件系统分为许多层次，最低的一层就是紧临硬件软件系统分为许多层次，最低的一层就是紧临硬件的一层，它直接控制计算机的硬件运行，这一层就的一层，它直接控制计算机的硬件运行，这一层就是指令系统。指令系统是一种型号的计算机所具有是指令系统。指令系统是一种型号的计算机所具有的全体指令的集合。不同型号的计算

3、机有不同的指的全体指令的集合。不同型号的计算机有不同的指令系统，一般不兼容。令系统，一般不兼容。 n计算机正在执行的指令（二进制信息）是存放在控计算机正在执行的指令（二进制信息）是存放在控制器的指令寄存器中的。一条指令的功能就是告诉制器的指令寄存器中的。一条指令的功能就是告诉计算机要完成什么操作，至于具体如何完成，必须计算机要完成什么操作，至于具体如何完成，必须将指令寄存器中的指令经控制器的译码电路和微命将指令寄存器中的指令经控制器的译码电路和微命令发生器，产生微命令；经控制器的地址形成电路令发生器，产生微命令；经控制器的地址形成电路给出操作数地址；由微命令和操作数地址决定实际给出操作数地址；

4、由微命令和操作数地址决定实际的操作步骤。的操作步骤。 http:/计算机组成原理 指令系统n一般说来，指令系统中的一条指令包括两大类信息一般说来，指令系统中的一条指令包括两大类信息，即操作信息和地址信息。，即操作信息和地址信息。n计算机指令系统的设置与计算机硬件结构密切相关计算机指令系统的设置与计算机硬件结构密切相关。指令系统直接影响到计算机系统的性能，也直接影。指令系统直接影响到计算机系统的性能，也直接影响到操作系统和编译程序的编写难度，可见指令系统响到操作系统和编译程序的编写难度，可见指令系统的设计是计算机系统设计中的一个核心问题。的设计是计算机系统设计中的一个核心问题。n系列系列(Ser

5、ies)计算机。计算机。n指令系统的改进是围绕着缩小机器语言、汇编语言指令系统的改进是围绕着缩小机器语言、汇编语言与高级语言的语义差异以及有利于操作系统的实现和与高级语言的语义差异以及有利于操作系统的实现和优化而进行的，它有利于高级语言程序的编译和提高优化而进行的，它有利于高级语言程序的编译和提高机器运行速度。机器运行速度。 http:/计算机组成原理 指令系统n指令系统太复杂也会带来一些不利因素，为了解决指令系统太复杂也会带来一些不利因素，为了解决这个问题，这个问题，70年代末人们提出了便于年代末人们提出了便于VLSI实现的精实现的精简指令系统计算机，简称简指令系统计算机，简称RISC；与之

6、相应的便是复；与之相应的便是复杂指令系统计算机，简称杂指令系统计算机，简称CISC。 http:/计算机组成原理 指令系统 计算机的指令格式与机器字长、存储器的容量以计算机的指令格式与机器字长、存储器的容量以及指令的功能都有很大关系。为了便于程序设计、及指令的功能都有很大关系。为了便于程序设计、增加基本操作的并行性、增强指令功能，指令中包增加基本操作的并行性、增强指令功能，指令中包含的信息越多越好。然而如果所有指令都取相同长含的信息越多越好。然而如果所有指令都取相同长度的话，那么在有些指令中，一部分信息将是没有度的话，那么在有些指令中，一部分信息将是没有意义的，这就浪费了指令所占的存储空间，从

7、而增意义的，这就浪费了指令所占的存储空间，从而增加了访存次数，可能使整个指令执行时间更长。因加了访存次数，可能使整个指令执行时间更长。因此，如何科学合理地设计指令格式，使指令既能给此，如何科学合理地设计指令格式，使指令既能给出足够信息，其长度又尽可能与机器的字长相匹配出足够信息，其长度又尽可能与机器的字长相匹配，从而节省存储空间，缩短取指周期，达到提高机，从而节省存储空间，缩短取指周期，达到提高机器性能的目的，一直是指令格式设计中的一个重要器性能的目的，一直是指令格式设计中的一个重要问题。问题。http:/计算机组成原理 指令系统n5.2.1 指令的一般格式指令的一般格式 n5.2.2 指令操

8、作码的扩展技术指令操作码的扩展技术 n5.2.3 指令长度与字长的关系指令长度与字长的关系 http:/计算机组成原理 指令系统 计算机通过执行指令来处理各种数据。为了指出计算机通过执行指令来处理各种数据。为了指出数据的来源、操作结果的去向及所执行的操作，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。一条指令必须包含下列信息。n 操作码操作码n 操作数的地址。操作数的地址。 n 下一条指令的地址下一条指令的地址根据上述分析可知，一条指令实际上包括两种信息根据上述分析可知，一条指令实际上包括两种信息，即操作码和地址码。，即操作码和地址码。 n 零地址指令零地址指令OP CO

9、DE2. 一地址指令一地址指令OPCODEA3. 两地址指令两地址指令4. 三地址指令三地址指令http:/计算机组成原理 指令系统5. 多地址指令多地址指令在某些性能较好的大、中型机甚至高档次小型机在某些性能较好的大、中型机甚至高档次小型机中，往往设置一些功能很强、用于处理成批数据的指中，往往设置一些功能很强、用于处理成批数据的指令，如字符串处理指令，向量、矩阵运算指令。为了令，如字符串处理指令，向量、矩阵运算指令。为了描述一批数据，指令中需要多个地址来指出数据存放描述一批数据，指令中需要多个地址来指出数据存放的首地址、长度和下标等信息。的首地址、长度和下标等信息。以上所述的几种指令只是一般

10、情况，并非所有计以上所述的几种指令只是一般情况，并非所有计算机都具有。零地址、一地址和两地址指令具有指令算机都具有。零地址、一地址和两地址指令具有指令短、执行速度快、硬件实现简单等特点，多为结构较短、执行速度快、硬件实现简单等特点，多为结构较简单、字长较短的小型、微型机所采用；而两地址、简单、字长较短的小型、微型机所采用；而两地址、三地址和多地址指令具有功能强、便于编程等特点，三地址和多地址指令具有功能强、便于编程等特点，多为字长较长的大、中型机所采用。但也不能一概而多为字长较长的大、中型机所采用。但也不能一概而论。论。 http:/计算机组成原理 指令系统 在计算机中，指令和数据一样都是以二

11、进制码形在计算机中，指令和数据一样都是以二进制码形式存储的，所以如果仅从存储形式来看，两者并没式存储的，所以如果仅从存储形式来看，两者并没有差别。但是，指令的地址由程序计数器有差别。但是，指令的地址由程序计数器(PC)给给出，而数据的地址则是由指令规定的，在出，而数据的地址则是由指令规定的，在CPU控制控制下访存时，肯定不会将指令和数据混淆。下访存时，肯定不会将指令和数据混淆。 为了程序能重复执行，一般要求程序在运行前后为了程序能重复执行，一般要求程序在运行前后所有的指令都保持不变，因此在程序执行过程中，所有的指令都保持不变，因此在程序执行过程中，要避免修改指令；一旦发生了修改指令的情况，则要

12、避免修改指令；一旦发生了修改指令的情况，则按出错处理。按出错处理。http:/计算机组成原理 指令系统 指令的操作码长度决定了指令系统中完成不同指令的操作码长度决定了指令系统中完成不同操作的指令条数。若某机器的操作码长度为操作的指令条数。若某机器的操作码长度为K位位，则它最多只能有，则它最多只能有2K条不同指令。指令操作码通条不同指令。指令操作码通常有两种编码格式，一种是固定格式，即操作码常有两种编码格式，一种是固定格式，即操作码的长度固定，且集中放在指令字的一个字段中。的长度固定，且集中放在指令字的一个字段中。这种格式对于简化硬件设计、减少指令译码时间这种格式对于简化硬件设计、减少指令译码时

13、间非常有利，在字长较长的大、中型机和超级小型非常有利，在字长较长的大、中型机和超级小型机以及机以及RISC上广泛使用。另一种是可变格式，即上广泛使用。另一种是可变格式，即操作码的长度可变，且分散地放在指令字的不同操作码的长度可变，且分散地放在指令字的不同字段中。这种格式能够有效地压缩程序中操作码字段中。这种格式能够有效地压缩程序中操作码的平均长度，在字长较短的微型机上广泛采用。的平均长度，在字长较短的微型机上广泛采用。 http:/计算机组成原理 指令系统 显然，操作码长度不固定将增加指令译码和分析显然，操作码长度不固定将增加指令译码和分析的难度，使控制器的设计复杂化，因此对操作码的的难度，使

14、控制器的设计复杂化，因此对操作码的编码至关重要。通常是在指令字中用一个固定长度编码至关重要。通常是在指令字中用一个固定长度的字段来表示基本操作码，而对于一部分不需要某的字段来表示基本操作码，而对于一部分不需要某个地址码的指令，则把它们的操作码扩展到该地址个地址码的指令，则把它们的操作码扩展到该地址字段，这样，既能充分地利用指令字的各个字段，字段，这样，既能充分地利用指令字的各个字段，又能在不增加指令长度的情况下扩展操作码的长度，又能在不增加指令长度的情况下扩展操作码的长度，使它可以表示更多的指令。例如，设某机器的指令使它可以表示更多的指令。例如，设某机器的指令长度为长度为16位，包括位，包括4

15、位基本操作码字段和位基本操作码字段和3个个4位地位地址字段，其格式如图址字段，其格式如图5-1所示。所示。 图图5-1 指令格式指令格式 http:/计算机组成原理 指令系统(1)15条三地址指令的操作码由条三地址指令的操作码由4位基本操作码给出，位基本操作码给出，范围为范围为00001110，剩下一个码点，剩下一个码点1111用于把用于把操作码扩展到操作码扩展到A1，即从，即从4位扩展到位扩展到8位。位。(2)15条二地址指令的操作码由扩展后的条二地址指令的操作码由扩展后的8位操作码位操作码给出，范围为给出，范围为1111000011111110，剩下一个，剩下一个码点码点11111111用

16、于把操作码扩展到用于把操作码扩展到A2，即从，即从8位位扩展到扩展到12位。位。(3)15条一地址指令的操作码由条一地址指令的操作码由12位操作码给出，范位操作码给出，范围为围为111111110000111111111110，剩下一，剩下一个码点个码点111111111111用于把操作码扩展到用于把操作码扩展到A3，即从即从12位扩展到位扩展到16位。位。(4)16条零地址指令的操作码使用条零地址指令的操作码使用16位，范围为位，范围为11111111111100001111111111111111。http:/计算机组成原理 指令系统 除了上述方法外，还有其他许多扩展方法，如可除了上述方法

17、外，还有其他许多扩展方法，如可以形成以形成15条三地址指令、条三地址指令、14条两地址指令、条两地址指令、31条条一地址指令和一地址指令和16条零地址指令，共条零地址指令，共76条指令。实条指令。实际上，指令操作码是有空余的。在可变长度的指令际上，指令操作码是有空余的。在可变长度的指令系统的设计中，到底使用何种扩展方法，所要遵循系统的设计中，到底使用何种扩展方法，所要遵循的一个重要原则是，使用频度的一个重要原则是，使用频度(即指令在程序中出即指令在程序中出现的概率现的概率)高的指令应分配较短的操作码；使用频高的指令应分配较短的操作码；使用频度低的指令应分配较长的操作码。这样，不仅可以度低的指令

18、应分配较长的操作码。这样，不仅可以有效地缩短操作码在程序中的平均长度，节省存储有效地缩短操作码在程序中的平均长度，节省存储器空间，而且缩短了经常使用的指令的译码时间，器空间，而且缩短了经常使用的指令的译码时间，因而可以提高程序的运行速度。因而可以提高程序的运行速度。http:/计算机组成原理 指令系统 这里特别强调指出，计算机中的指令操作码总是这里特别强调指出，计算机中的指令操作码总是希望有一定的规整性，否则会使硬件实现复杂化。希望有一定的规整性，否则会使硬件实现复杂化。此外，为了便于在计算机内存放，指令的长度一般此外，为了便于在计算机内存放，指令的长度一般是字节的整数倍，所以操作码与地址码两

19、部分长度是字节的整数倍，所以操作码与地址码两部分长度之和就应该是字节的整数倍，因此在考虑操作码长之和就应该是字节的整数倍，因此在考虑操作码长度时还应考虑地址码的要求。度时还应考虑地址码的要求。 由此可见，操作码扩展技术是一种重要的指令优由此可见，操作码扩展技术是一种重要的指令优化技术，它可以缩短指令的平均长度，减少程序的化技术，它可以缩短指令的平均长度，减少程序的总位数以及增加指令字所能表示的操作信息。扩展总位数以及增加指令字所能表示的操作信息。扩展操作码比固定操作码译码复杂，使控制器的设计难操作码比固定操作码译码复杂，使控制器的设计难度增大，也需要更多的硬件来支持。度增大，也需要更多的硬件来

20、支持。http:/计算机组成原理 指令系统 字长是指计算机能直接处理的二进制数据的位数，字长是指计算机能直接处理的二进制数据的位数，它与计算机的功能和用途有很大的关系，是计算机它与计算机的功能和用途有很大的关系，是计算机的一个重要技术指标。首先，字长决定了计算机的的一个重要技术指标。首先，字长决定了计算机的运算精度，字长越长，计算机的运算精度越高，因运算精度，字长越长，计算机的运算精度越高，因此，高性能的计算机字长较长，而性能较差的计算此，高性能的计算机字长较长，而性能较差的计算机字长相对要短。其次，地址长度决定了指令直接机字长相对要短。其次，地址长度决定了指令直接寻址能力，若为寻址能力，若为

21、n 位，则给出的位，则给出的n 位直接地址可以位直接地址可以寻址寻址2n字节。这对于字长较短字节。这对于字长较短(8位或位或16位位)的微型的微型机来说，远远满足不了实际需要。扩大寻址能力的机来说，远远满足不了实际需要。扩大寻址能力的方法，一是通过增加机器字长来增加地址码的长度；方法，一是通过增加机器字长来增加地址码的长度；二是采用地址扩展技术，把存储空间分成若干个段，二是采用地址扩展技术，把存储空间分成若干个段，用基地址加位移量的方法来增加地址码的长度。用基地址加位移量的方法来增加地址码的长度。 http:/计算机组成原理 指令系统 为了便于处理字符数据和尽可能地充分利用存储为了便于处理字符

22、数据和尽可能地充分利用存储空间，一般机器字长都是字节长度空间，一般机器字长都是字节长度(即即8位位)的的1、2、4或或8倍，也就是倍，也就是8、16、32、64位。位。20世纪世纪80年年代的微型机的字长多为代的微型机的字长多为8、16和和32位，大中型机的位，大中型机的字长多为字长多为32位和位和64位，因此，一个字中可以存储位，因此，一个字中可以存储1、2、4或或8个字符。随着电路集成度的提高，机器字个字符。随着电路集成度的提高，机器字长也在增长，长也在增长，16位微机也趋于淘汰。位微机也趋于淘汰。 指令的长度主要取决于操作码的长度、操作数地指令的长度主要取决于操作码的长度、操作数地址的长

23、度和操作数地址的个数。由于操作码的长度、址的长度和操作数地址的个数。由于操作码的长度、操作数地址的长度及所采用的格式不同，各指令的操作数地址的长度及所采用的格式不同，各指令的长度不是固定的，但也不是任意的。为了充分利用长度不是固定的，但也不是任意的。为了充分利用存储空间，指令的长度通常为字节的整数倍。存储空间，指令的长度通常为字节的整数倍。http:/计算机组成原理 指令系统 指令的长度与机器的字长没有固定关系，它既可指令的长度与机器的字长没有固定关系，它既可以小于或等于机器的字长，也可以大于机器字长。以小于或等于机器的字长，也可以大于机器字长。前者称为短格式指令，后者称为长格式指令，一条前者

24、称为短格式指令，后者称为长格式指令，一条指令存放在地址连续的存储单元中。在同一台计算指令存放在地址连续的存储单元中。在同一台计算机中可能既有短格式指令，又有长格式指令，但通机中可能既有短格式指令，又有长格式指令，但通常是把最常用的指令常是把最常用的指令(如算术逻辑运算指令、数据如算术逻辑运算指令、数据传送指令传送指令)设计成短格式指令，以便节省存储空间设计成短格式指令，以便节省存储空间和提高指令的执行速度。和提高指令的执行速度。http:/计算机组成原理 指令系统 计算机中的基本数据有逻辑计算机中的基本数据有逻辑(布尔布尔)数、定点数数、定点数(整数整数)、浮点数、浮点数(实数实数)、十进制、

25、字符串、数组等。、十进制、字符串、数组等。对这些数据的运算可以设置专门的指令，也可以仅对这些数据的运算可以设置专门的指令，也可以仅设置最简单的算术逻辑运算指令，再通过执行程序设置最简单的算术逻辑运算指令，再通过执行程序来实现对其他类型数据的处理，但后者的速度下降来实现对其他类型数据的处理，但后者的速度下降许多。在机器中，若设置能直接对矩阵向量数据许多。在机器中，若设置能直接对矩阵向量数据(数组数组)进行运算的指令进行运算的指令(增加相应的硬件增加相应的硬件)，可以大，可以大大提高对向量大提高对向量(数组数组)的处理速度，这一般只在巨型的处理速度，这一般只在巨型计算机中才采用。计算机中才采用。

26、目前计算机所用的数据字长一般为目前计算机所用的数据字长一般为32位，而存储位，而存储器地址一般按字节表示，即一个存储单元只能存放器地址一般按字节表示，即一个存储单元只能存放一个字节的数据，因此一条指令通常要占用几个存一个字节的数据，因此一条指令通常要占用几个存储单元，使用几个存储器地址。储单元，使用几个存储器地址。 http:/计算机组成原理 指令系统 计算机指令系统可支持对字节、半字、字、双字计算机指令系统可支持对字节、半字、字、双字的运算，有些计算机有位处理指令。为便于硬件实的运算，有些计算机有位处理指令。为便于硬件实现，一般要求多字节数据对准边界，如图现，一般要求多字节数据对准边界，如图

27、5-2(a)所所示。当所存数据不能满足此要求时，则填充一个或示。当所存数据不能满足此要求时，则填充一个或多个空白字节。也有的计算机不要求对准边界，但多个空白字节。也有的计算机不要求对准边界，但可能增加访问存储器次数。假如存储器与运算部件可能增加访问存储器次数。假如存储器与运算部件间数据通路的宽度为间数据通路的宽度为32位位(一个字一个字)，在不按边界对，在不按边界对准的计算机中，访存指令所要求存取的数据准的计算机中，访存指令所要求存取的数据(例如例如一个字一个字)可能在两个存储单元中，因此需要访问两可能在两个存储单元中，因此需要访问两次存储器，而且还要对高低字节的位置进行调整，次存储器，而且还

28、要对高低字节的位置进行调整，图图5-2(b)中的阴影部分即属这种情况。中的阴影部分即属这种情况。 http:/计算机组成原理 指令系统(a) 多字节数据对准边界多字节数据对准边界 图图5-2 存储器中数据的存放举例存储器中数据的存放举例 (b) 数据不对准边界数据不对准边界 http:/计算机组成原理 指令系统 在数据对准边界的计算机中，当以二进制来表示在数据对准边界的计算机中，当以二进制来表示地址时，半字地址的最低位恒为零，字地址的最低地址时，半字地址的最低位恒为零，字地址的最低两位为零，双字地址的最低三位为零。图两位为零，双字地址的最低三位为零。图5-3为按为按字节编址的双字数据的两种字节

29、次序：低字节为低字节编址的双字数据的两种字节次序：低字节为低地址，如图地址，如图5-3(a)所示；高字节为低地址，如图所示；高字节为低地址，如图5-3(b)所示。所示。(a) 低字节为低地址低字节为低地址 (b) 高字节为低地址高字节为低地址 图图5-3 两种字节次序两种字节次序 http:/计算机组成原理 指令系统 在执行一条指令的时候，操作数可能在运算部件在执行一条指令的时候，操作数可能在运算部件的某个寄存器中或存储器中，也可能就在本指令中。的某个寄存器中或存储器中，也可能就在本指令中。正在运行的程序总是存放在存储器正在运行的程序总是存放在存储器(内存内存)中，正在中，正在执行的指令总是在

30、执行的指令总是在CPU内控制器的指令寄存器中。内控制器的指令寄存器中。所谓寻址方式所谓寻址方式(或编址方式或编址方式)指的是确定本条指令的指的是确定本条指令的数据地址及下一条要执行的指令地址的方法，它与数据地址及下一条要执行的指令地址的方法，它与计算机硬件结构紧密相关，而且对指令格式和功能计算机硬件结构紧密相关，而且对指令格式和功能影响很大。从程序员角度看，寻址方式与汇编程序影响很大。从程序员角度看，寻址方式与汇编程序设计的关系极为密切；与高级语言的编译程序设计设计的关系极为密切；与高级语言的编译程序设计也同样密切。不同的计算机有不同的寻址方式，但也同样密切。不同的计算机有不同的寻址方式，但其

31、基本原理是相同的。有的计算机寻址种类少，因其基本原理是相同的。有的计算机寻址种类少，因此在指令的操作码中表示出寻址方式；而有的计算此在指令的操作码中表示出寻址方式；而有的计算http:/计算机组成原理 指令系统 机采用多种寻址方式，此时在指令中专设一个字机采用多种寻址方式，此时在指令中专设一个字段表示一个操作数的来源或去向。这里仅介绍几段表示一个操作数的来源或去向。这里仅介绍几种被广泛采用的基本寻址方式。在一些计算机中，种被广泛采用的基本寻址方式。在一些计算机中，某些寻址方式可以组合使用，从而形成更复杂的某些寻址方式可以组合使用，从而形成更复杂的寻址方式。寻址方式。http:/计算机组成原理

32、指令系统 1. 直接寻址直接寻址 对直接寻址方式来说，指令的地址码部分直接给对直接寻址方式来说，指令的地址码部分直接给出操作数在存储器中的地址，图出操作数在存储器中的地址，图5-4(a)仅给出一个操仅给出一个操作数地址；当有多个地址时，情况类似。直接寻址方作数地址；当有多个地址时，情况类似。直接寻址方式可以由操作码表示出来。图式可以由操作码表示出来。图5-4(b)在指令中增加了在指令中增加了一个寻址方式字段一个寻址方式字段M，假如，假如M为为3位二进制码，则可位二进制码，则可表示表示8种寻址方式。种寻址方式。图图5-4 直接寻址方式直接寻址方式 http:/计算机组成原理 指令系统 2. 寄存

33、器寻址寄存器寻址 计算机的中央处理器中一般设置有一定数量的通计算机的中央处理器中一般设置有一定数量的通用寄存器，用以存放操作数、操作数的地址或中间用寄存器，用以存放操作数、操作数的地址或中间结果。假如地址码部分给出某一通用寄存器地址，结果。假如地址码部分给出某一通用寄存器地址，而且所需的操作数就在这一寄存器中，则称为寄存而且所需的操作数就在这一寄存器中，则称为寄存器寻址。通用寄存器的数量一般在几个至几十个之器寻址。通用寄存器的数量一般在几个至几十个之间，比存储单元少得多，因此地址码短，而且对寄间，比存储单元少得多，因此地址码短，而且对寄存器存取数据比对存储器存取数据快得多，所以这存器存取数据比

34、对存储器存取数据快得多，所以这种寻址方式可以缩短指令长度，节省存储空间，提种寻址方式可以缩短指令长度，节省存储空间，提高指令的执行速度，因而在计算机中得到广泛应用。高指令的执行速度，因而在计算机中得到广泛应用。http:/计算机组成原理 指令系统3. 基址寻址基址寻址基址寻址是指在计算机中设置一个专用的基址寄存基址寻址是指在计算机中设置一个专用的基址寄存器，或由指令指定一个通用寄存器作为基址寄存器，或由指令指定一个通用寄存器作为基址寄存器。操作数的地址由基址寄存器的内容和指令的器。操作数的地址由基址寄存器的内容和指令的地址码地址码A相加得到，如图相加得到，如图5-5所示。在这种情况下所示。在这

35、种情况下，地址码，地址码A通常被称为位移量通常被称为位移量(Disp)。也可用其他。也可用其他方法获得位移量。方法获得位移量。图图5-5 基址寻址过程基址寻址过程 http:/计算机组成原理 指令系统4. 变址寻址变址寻址变址寻址的过程如图变址寻址的过程如图5-6所示。指令地址码部分给所示。指令地址码部分给出的地址出的地址A和指定的变址寄存器和指定的变址寄存器R的内容通过加法的内容通过加法器相加，所得的和作为地址从存储器中读出所需的器相加，所得的和作为地址从存储器中读出所需的操作数。这是几乎所有计算机都采用的一种寻址方操作数。这是几乎所有计算机都采用的一种寻址方式。如果计算机中还有基址寄存器，

36、则在计算有效式。如果计算机中还有基址寄存器，则在计算有效地址时还要加上基址寄存器内容。地址时还要加上基址寄存器内容。1nnCC-图图5-6 变址寻址过程变址寻址过程 http:/计算机组成原理 指令系统5. 间接寻址间接寻址在寻址时，若根据指令的地址码所取出的内容是操作在寻址时，若根据指令的地址码所取出的内容是操作数的地址或指令地址，这种寻址方式就称为间接寻址数的地址或指令地址，这种寻址方式就称为间接寻址或间址。根据地址码指的是寄存器地址还是存储器地或间址。根据地址码指的是寄存器地址还是存储器地址，间接寻址又可分为寄存器间接寻址和存储器间接址，间接寻址又可分为寄存器间接寻址和存储器间接寻址两种

37、方式。间接寻址有一次间址和多次间址两种寻址两种方式。间接寻址有一次间址和多次间址两种情况，大多数计算机只允许一次间址。对于存储器一情况，大多数计算机只允许一次间址。对于存储器一次间址来说，需要访问两次存储器才能取得数据，第次间址来说，需要访问两次存储器才能取得数据，第一次从存储器读出的是操作数的地址，第二次才读出一次从存储器读出的是操作数的地址，第二次才读出操作数。操作数。http:/计算机组成原理 指令系统 图图5-7(a)、(b)分别为寄存器间接寻址与存储器间接分别为寄存器间接寻址与存储器间接寻址的操作数寻址过程。图寻址的操作数寻址过程。图5-8以转移指令以转移指令JUMP为为例，说明在直

38、接寻址和间接寻址方式下，如何确定下例，说明在直接寻址和间接寻址方式下，如何确定下一条要执行的指令地址。一条要执行的指令地址。(a) 寄存器间接寻址寄存器间接寻址 (b) 存储器间接寻址存储器间接寻址 图图5-7 间接寻址过程间接寻址过程 http:/计算机组成原理 指令系统(a) 直接寻址直接寻址 (b) 间接寻址间接寻址 图图5-8 确定确定JUMP指令的转移地址指令的转移地址 http:/计算机组成原理 指令系统6. 相对寻址相对寻址把程序计数器把程序计数器PC的内容的内容(即当前正在执行的指令地址即当前正在执行的指令地址)与地址码部分给出的位移量与地址码部分给出的位移量(Disp)之和作

39、为操作数之和作为操作数的地址或转移地址，称为相对地址。主要用于转移的地址或转移地址，称为相对地址。主要用于转移指令，执行本条指令之后，将转移到指令，执行本条指令之后，将转移到(PC)+Disp，(PC)表示程序计数器的内容。相对寻址有两个特点表示程序计数器的内容。相对寻址有两个特点：第一，转移地址不是固定的，它随着：第一，转移地址不是固定的，它随着PC值的变化值的变化而变化，并且总是相差一个固定值而变化，并且总是相差一个固定值Disp，因此无论，因此无论程序装入存储器的任何地方，均能正确运行，对浮程序装入存储器的任何地方，均能正确运行，对浮动程序很适用。第二，位移量可正可负，通常用补动程序很适

40、用。第二，位移量可正可负，通常用补码表示。若位移量为码表示。若位移量为n位，则这种方式的寻址范围在位，则这种方式的寻址范围在到之间。到之间。http:/计算机组成原理 指令系统当前计算机的程序和数据一般是分开存放的，程序区当前计算机的程序和数据一般是分开存放的，程序区在程序执行过程中不允许修改。在程序与数据分区存在程序执行过程中不允许修改。在程序与数据分区存放的情况下，不用相对寻址方式来确定操作数地址。放的情况下，不用相对寻址方式来确定操作数地址。7. 立即数立即数所需的操作数由指令的地址码部分直接给出，就称为所需的操作数由指令的地址码部分直接给出，就称为立即数立即数(或直接数或直接数)寻址方

41、式。这种方式的特点是，取寻址方式。这种方式的特点是，取指时操作码和一个操作数同时被取出，不必再次访问指时操作码和一个操作数同时被取出，不必再次访问存储器，提高了指令的执行速度。但是由于这一操作存储器，提高了指令的执行速度。但是由于这一操作数是指令的一部分，不能修改，而一般情况下，指令数是指令的一部分，不能修改，而一般情况下，指令所处理的数据都是在不断变化的所处理的数据都是在不断变化的(如上条指令执行的结如上条指令执行的结果是下条指令的操作数果是下条指令的操作数)，故这种方式只能适用于操作，故这种方式只能适用于操作数固定的情况。通常用于给某一寄存器或存储器单元数固定的情况。通常用于给某一寄存器或

42、存储器单元赋初值或提供一个常数。赋初值或提供一个常数。 http:/计算机组成原理 指令系统 一台计算机的指令系统通常有几十条至几百条指令一台计算机的指令系统通常有几十条至几百条指令，按其所完成的功能可分为算术逻辑运算指令、，按其所完成的功能可分为算术逻辑运算指令、移位操作指令、浮点运算指令、十进制运算指令移位操作指令、浮点运算指令、十进制运算指令、字符串处理指令、向量运算指令、数据传送指、字符串处理指令、向量运算指令、数据传送指令、转移类指令、堆栈操作指令、输入令、转移类指令、堆栈操作指令、输入/输出指令输出指令、特权指令。本节分别说明各类指令的功能。、特权指令。本节分别说明各类指令的功能。

43、http:/计算机组成原理 指令系统1. 算术逻辑运算指令算术逻辑运算指令 一般计算机都有算术逻辑运算指令。通常计算机一般计算机都有算术逻辑运算指令。通常计算机具有对两个数进行与、或、非具有对两个数进行与、或、非(求反求反)、异或、异或(按位加按位加)等操作的逻辑运算指令。有些计算机还设置有位操等操作的逻辑运算指令。有些计算机还设置有位操作指令，如位测试作指令，如位测试(测试指定位的值测试指定位的值)、位清除、位清除(把指把指定位清零定位清零)、位求反、位求反(取某位的反值取某位的反值)指令等。指令等。2. 移位操作指令移位操作指令 移位操作指令分为算术移位、逻辑移位和循环移移位操作指令分为算

44、术移位、逻辑移位和循环移位位3种，可以将操作数左移或右移若干位，如图种，可以将操作数左移或右移若干位，如图5-9所示。所示。 http:/计算机组成原理 指令系统图图5-9 各种移位的操作过程各种移位的操作过程 http:/计算机组成原理 指令系统3. 浮点运算指令浮点运算指令 高级语言中的实数高级语言中的实数(Real)经常是先转换成浮点数经常是先转换成浮点数的形式再进行处理。某些机器没有设置浮点运算指的形式再进行处理。某些机器没有设置浮点运算指令而用子程序实现，其速度较低。因此主要用于科令而用子程序实现，其速度较低。因此主要用于科学计算的计算机应该设置浮点运算指令，一般能对学计算的计算机应

45、该设置浮点运算指令，一般能对单精度单精度(32位位)、双精度、双精度(64位位)数据进行处理。数据进行处理。4. 十进制运算指令十进制运算指令 在人机交互作用时，输入在人机交互作用时，输入/输出的数据都是以十进输出的数据都是以十进制形式表示的。在某些数据处理系统中输入制形式表示的。在某些数据处理系统中输入/输出输出的数据很多，但对数据本身的处理却很简单。在不的数据很多，但对数据本身的处理却很简单。在不具有十进制运算指令的计算机中，首先将十进制数具有十进制运算指令的计算机中，首先将十进制数转换成二进制数，再在机器内运算；而后又转换成转换成二进制数，再在机器内运算；而后又转换成十进制数据输出。在输

46、入十进制数据输出。在输入/输出频繁的计算机系统输出频繁的计算机系统中，设置十进制运算指令能提高数据处理的速度。中，设置十进制运算指令能提高数据处理的速度。 http:/计算机组成原理 指令系统5. 字符串处理指令字符串处理指令 字符串处理指令是一种非数值数据的处理指令，字符串处理指令是一种非数值数据的处理指令，一般包括字符串传送、字符串比较、字符串查询一般包括字符串传送、字符串比较、字符串查询、字符串转换等指令。其中，字符串传送指令所、字符串转换等指令。其中，字符串传送指令所完成的操作是将数据块从主存储器的某区域传送完成的操作是将数据块从主存储器的某区域传送到另一区域；字符串比较指令所完成的操

47、作是将到另一区域；字符串比较指令所完成的操作是将一个字符串与另一个字符串逐个字符进行比较，一个字符串与另一个字符串逐个字符进行比较，以确定其是否相等；字符串查询是查找在字符串以确定其是否相等；字符串查询是查找在字符串中是否含有另一指定的子串或字符；字符串转换中是否含有另一指定的子串或字符；字符串转换是指将一种数据表达形式转换成另一种表达形式是指将一种数据表达形式转换成另一种表达形式，例如从，例如从ASCII码转换成码转换成EBCDIC码码(扩充的二扩充的二-十十进制交换码进制交换码)。这种指令在需对大量字符串进行各。这种指令在需对大量字符串进行各种处理的文字编辑和排版方面非常有用。种处理的文字

48、编辑和排版方面非常有用。http:/计算机组成原理 指令系统6. 数据传送指令数据传送指令 数据传递指令用以实现寄存器与寄存器、寄存器数据传递指令用以实现寄存器与寄存器、寄存器与存储器单元、存储器单元与存储器单元之间的数与存储器单元、存储器单元与存储器单元之间的数据传送。对于存储器来讲，数据传送包括了对数据据传送。对于存储器来讲，数据传送包括了对数据的读的读(相当于取数指令相当于取数指令)或写或写(相当于存数指令相当于存数指令)操作。操作。数据传送时，数据从源地址传送到目的地址，而源数据传送时，数据从源地址传送到目的地址，而源地址中的数据保持不变，因此实际上是数据复制。地址中的数据保持不变，因

49、此实际上是数据复制。7. 转移类指令转移类指令 转移类指令用以控制程序流的转移。在大多数情转移类指令用以控制程序流的转移。在大多数情况下，计算机是按顺序方式执行程序的，但是也经况下，计算机是按顺序方式执行程序的，但是也经常会遇到离开原来的顺序转移到另一段程序或循环常会遇到离开原来的顺序转移到另一段程序或循环执行某段程序的情况。执行某段程序的情况。http:/计算机组成原理 指令系统 按转移的性质，转移指令分为无条件转移、条件按转移的性质，转移指令分为无条件转移、条件转移、过程调用与返回、陷阱转移、过程调用与返回、陷阱(Trap)等几种。等几种。1)无条件转移与条件转移无条件转移与条件转移2)调

50、用指令与返回指令调用指令与返回指令3)陷阱与陷阱指令陷阱与陷阱指令8.堆栈及堆栈操作指令堆栈及堆栈操作指令堆栈堆栈(Stack)是由若干个连续存储单元组成的先进后是由若干个连续存储单元组成的先进后出出(FILO)存储区，第一个送入堆栈中的数据存放在存储区，第一个送入堆栈中的数据存放在栈底，最近送入堆栈中的数据存放在栈顶。栈底是栈底，最近送入堆栈中的数据存放在栈顶。栈底是固定不变的，而栈顶却是随着数据的入栈和出栈在固定不变的，而栈顶却是随着数据的入栈和出栈在不断变化。为了表示栈顶的位置，有一个寄存器或不断变化。为了表示栈顶的位置，有一个寄存器或存储器单元用于指出栈顶的地址，这个寄存器或存存储器单

51、元用于指出栈顶的地址，这个寄存器或存储器单元就称为堆栈指针储器单元就称为堆栈指针SP(Stack Pointer)。任何。任何堆栈操作只能在栈顶进行。堆栈操作只能在栈顶进行。http:/计算机组成原理 指令系统压入指令压入指令PUSH OPR 把把OPR(长度为两个字节长度为两个字节)压入堆栈压入堆栈操作是：操作是：(SP)-2SP，OPR(SP)弹出指令弹出指令POP OPR 弹出一个数据弹出一个数据(长度为两个字节长度为两个字节)送送OPR操作是：操作是：(SP)OPR，(SP)+2SP由于堆栈具有先进后出的性质，因而在中断、子程序由于堆栈具有先进后出的性质，因而在中断、子程序调用过程中广

52、泛用于保存返回地址、状态标志及现场调用过程中广泛用于保存返回地址、状态标志及现场信息。信息。堆栈还有一个重要的作用，就是用于子程序调用时参堆栈还有一个重要的作用，就是用于子程序调用时参数的传递，特别是在不同语言程序之间相互调用过程数的传递，特别是在不同语言程序之间相互调用过程中，使用堆栈来传递数据更加普遍。中，使用堆栈来传递数据更加普遍。http:/计算机组成原理 指令系统9. 输入输入/输出输出(I/O)指令指令计算机所处理的一切原始数据和所执行的程序计算机所处理的一切原始数据和所执行的程序(除除了固化在了固化在ROM中的以外中的以外)均来自外部设备的输入，处理均来自外部设备的输入，处理结果

53、需要外部设备输出。输入结果需要外部设备输出。输入/输出指令的一般格式是输出指令的一般格式是OP REG A。其中，。其中，OP是操作码，表示是操作码，表示I/O指令。指令。REG是寄存器名，用于指定与外部设备交换数据的是寄存器名，用于指定与外部设备交换数据的CPU中的某寄存器。中的某寄存器。A是外部设备接口中的寄存器地是外部设备接口中的寄存器地址或设备码，其长度一般为址或设备码，其长度一般为8位或位或16位，可以表示位，可以表示25664K个设备寄存器个设备寄存器(接口中有接口中有3类寄存器，即输入数类寄存器，即输入数据寄存器、输出数据寄存器和控制寄存器据寄存器、输出数据寄存器和控制寄存器)。

54、输入指令。输入指令用于从用于从A地址所指定的外部设备寄存器中读入一个数地址所指定的外部设备寄存器中读入一个数据到据到REG寄存器中；输出指令刚好相反，把寄存器中；输出指令刚好相反，把REG寄存寄存器中的数器中的数http:/计算机组成原理 指令系统据送到据送到A地址所指定的外部设备寄存器中。此外，地址所指定的外部设备寄存器中。此外，I/O指令还可用来发送控制命令和接收回答信号，用以控指令还可用来发送控制命令和接收回答信号，用以控制外部设备的工作。制外部设备的工作。10. 特权指令特权指令 某些指令使用不当会破坏系统或其他用户信息，因某些指令使用不当会破坏系统或其他用户信息，因此为了安全起见，这

55、类指令只能用于操作系统或其他此为了安全起见，这类指令只能用于操作系统或其他系统软件，而不提供给用户使用，称为特权指令。系统软件，而不提供给用户使用，称为特权指令。 11. 其他指令其他指令 其他指令包括向量指令、多处理机指令和控制指令其他指令包括向量指令、多处理机指令和控制指令。控制指令包括等待指令，停机指令，空操作指令，。控制指令包括等待指令，停机指令，空操作指令，开中断、关中断、置条件码指令。开中断、关中断、置条件码指令。 http:/计算机组成原理 指令系统 下面通过几种类型计算机指令系统的介绍来增加认下面通过几种类型计算机指令系统的介绍来增加认识，这些计算机识，这些计算机(或处理器或处

56、理器)是是Sun微系统公司的微系统公司的SPARC90(RISC)、IBM 360/370系列系列(CISC)、PDP 11/VAX 11(CISC)系列，系列，Intel公司的公司的Pentium 系列系列(基于基于RISC的处理器内核的处理器内核)。http:/计算机组成原理 指令系统n5.6.1 SPARC的指令系统的指令系统 n5.6.2 IBM大型机指令系统大型机指令系统 n5.6.3 PDP 11与与VAX 11基本指令格式基本指令格式 n5.6.4 Pentium 的指令系统的指令系统 http:/计算机组成原理 指令系统 SPARC指令字长指令字长32位，有位，有3种指令格式、

57、种指令格式、6种指令种指令类型。类型。1SPARC的指令类型的指令类型1)算术运算算术运算/逻辑运算逻辑运算/移位指令移位指令n加法指令加法指令4条：条：ADD、ADDCC、ADDX、ADDXCC。n减法指令减法指令4条：条：SUB、SUBCC、SUBX、SUBXCC。n检查标记的加法指令检查标记的加法指令2条：条：TADDCC、TADDCCTV。n检查标记的减法指令检查标记的减法指令2条：条：TSUBCC、TSUBCCTV。n逻辑运算指令共逻辑运算指令共12条：条：AND、ANDCC、ANDN、ANDNCC；OR、ORCC、ORN、ORNCC；XOR、XORCC、XORN、XORNCC。ht

58、tp:/计算机组成原理 指令系统n移位指令移位指令3条：条：SLL(逻辑左移逻辑左移)、SRL(逻辑右移逻辑右移)、SRA(算术右移算术右移)。n其他还有乘法步、其他还有乘法步、SETHI、SAVE、RESTORE等。等。SAVE和和RESTORE两条指令分别将现行窗口指针减两条指令分别将现行窗口指针减1和加和加1。n现在对现在对4条加法指令进行说明。以条加法指令进行说明。以CC结尾的加法指结尾的加法指令表示除了进行加法运算以外还要根据运算结果置令表示除了进行加法运算以外还要根据运算结果置状态触发器状态触发器N、Z、V、C；X表示加进位信号；表示加进位信号；XCC表示加进位信号并置表示加进位信

59、号并置N、Z、V、C。2)LOAD/STORE指令指令n取取/存字节存字节(LDSB/STB)、半字、字、双字共、半字、字、双字共20条条指令，其中一半是特权指令。指令，其中一半是特权指令。 http:/计算机组成原理 指令系统 SPARC结构将存储器分成若干区，其中有结构将存储器分成若干区，其中有4个区分个区分别为用户程序区、用户数据区、系统程序区和系统别为用户程序区、用户数据区、系统程序区和系统数据区。并规定在执行用户程序时，只能从用户程数据区。并规定在执行用户程序时，只能从用户程序区取指令，在用户数据区存取数据；而执行系统序区取指令，在用户数据区存取数据；而执行系统程序时则可以使用特权指

60、令访问任一区。程序时则可以使用特权指令访问任一区。n另外还有两条供多处理机系统使用的数据交换指令另外还有两条供多处理机系统使用的数据交换指令SWAP和读后置字节指令和读后置字节指令LDSTUB。3)控制转移类指令控制转移类指令5条。条。4)读读/写专用寄存器指令写专用寄存器指令8条。条。以上指令共计以上指令共计66条。条。5)浮点运算指令。浮点运算指令。6)协处理器指令。协处理器指令。http:/计算机组成原理 指令系统 由于由于SPARC为整数运算部件为整数运算部件(IU)，所以当执行浮，所以当执行浮点运算指令或协处理器指令时，将交给浮点运算器点运算指令或协处理器指令时，将交给浮点运算器或协

61、处理器处理，当机器没有配置这种部件时，将或协处理器处理，当机器没有配置这种部件时，将通过子程序实现。通过子程序实现。2SPARC的指令格式的指令格式格式格式1：CALL指令指令 格式格式2：SETHI指令和指令和BRANCH指令指令 http:/计算机组成原理 指令系统格式格式3：其他指令：其他指令 3. 各类指令的功能及寻址方式各类指令的功能及寻址方式下面简单介绍第一类至第四类指令。下面简单介绍第一类至第四类指令。1)算术逻辑运算指令算术逻辑运算指令功能：功能：(rs1)OP(rs2) rd (当当i=0时时)(rs1) OP Simm13 rd (当当i=1时时) RISC的特点之一是所有

62、参与算术逻辑运算的数的特点之一是所有参与算术逻辑运算的数均在寄存器中。均在寄存器中。 http:/计算机组成原理 指令系统2)LOAD/STORE指令指令(取数取数/存数指令存数指令) 功能：功能：LOAD指令将存储器中的数据送往指令将存储器中的数据送往rd中；中；STORE指令将指令将rd的内容送往存储器中。的内容送往存储器中。 存储器地址的计算存储器地址的计算(寄存器间接寻址方式寄存器间接寻址方式)：当：当i=0时，存储器地址时，存储器地址=(rs1)+(rs2)；当；当i=1时，存储器时，存储器地址地址=(rs1)+Simm13。在。在RISC中，只有中，只有LOAD/STORE指令访问

63、存储器。指令访问存储器。3)控制转移类指令控制转移类指令 控制转移类指令用于改变控制转移类指令用于改变PC值，值，SPARC有以下有以下5种种控制转移指令。控制转移指令。(1)条件转移条件转移(BRANCH)：根据指令中的：根据指令中的Cond字段字段(条件码条件码)决定程序是否转移。转移地址由相对寻址决定程序是否转移。转移地址由相对寻址方式形成。方式形成。http:/计算机组成原理 指令系统(2)转移并连接转移并连接(JMPL)：采用寄存器间址方式形成转：采用寄存器间址方式形成转移地址，并将本条指令的地址移地址，并将本条指令的地址(即即PC值值)保存在以保存在以rd为地址的寄存器中，以备程序

64、返回时用。为地址的寄存器中，以备程序返回时用。(3)调用调用(CALL)：采用相对寻址方式形成转移地址。：采用相对寻址方式形成转移地址。为了扩大寻址范围，本条指令的操作码只取两位，为了扩大寻址范围，本条指令的操作码只取两位，位移量有位移量有30位。位。(4)陷阱陷阱(TRAP)：采用寄存器间址方式形成转移地址。：采用寄存器间址方式形成转移地址。(5)从从TRAP程序返回程序返回(RETT)：采用寄存器间址方式：采用寄存器间址方式形成返回地址。形成返回地址。4)读读/写专用寄存器指令写专用寄存器指令 SPARC有有4个专用寄存器个专用寄存器(PSR、Y、WIM、TBR)，其中其中PSR称为程序状

65、态寄存器。称为程序状态寄存器。 http:/计算机组成原理 指令系统 现在简单介绍现在简单介绍IBM 360/370的结构及指令系统。的结构及指令系统。IBM 360是是32位机器，按字节寻址，支持的数据位机器，按字节寻址，支持的数据类型有字节、半字、字、双字类型有字节、半字、字、双字(双精度实数双精度实数)、装配、装配的十进制数的十进制数(用用4位二进制码表示一个十进制数，一位二进制码表示一个十进制数，一个字节放两个十进制数字个字节放两个十进制数字)和未经装配和未经装配(拆卸拆卸)的字符的字符串串(一个字节放一个字符一个字节放一个字符)。机内有。机内有16个个32位通用位通用寄存器，寄存器，

66、4个双精度个双精度(64位位)浮点寄存器。浮点寄存器。 IBM 360/370有有5种指令格式，如图种指令格式，如图5-10所示。所示。 http:/计算机组成原理 指令系统图图5-10 IBM 360/370 指令格式指令格式 http:/计算机组成原理 指令系统(1)RR(寄存器寄存器-寄存器寄存器)格式：两个源操作数都在寄存格式：两个源操作数都在寄存器中，结果放在第一个源寄存器中。器中，结果放在第一个源寄存器中。(2)RX(寄存器寄存器-变址变址)：第一个源操作数与结果放在同：第一个源操作数与结果放在同一寄存器中，第二个源操作数在存储器中，其地址一寄存器中，第二个源操作数在存储器中，其地址为为(X2)+(B2)+D2，D2为为12位位移量位位移量(无符号无符号)。(3)RS(寄存器寄存器-寄存器寄存器)：R1是存放结果的目的寄存是存放结果的目的寄存器，器，R3为源操作数寄存器，另一个操作数在存储器为源操作数寄存器，另一个操作数在存储器中，其地址为中，其地址为(B2)+D2。RS与与RX的区别在于的区别在于RS是三地址格式，并取消了变址寄存器。是三地址格式，并取消了变址寄存器。(4