一台计算机的指令系统可以有上百条指令，这些指令按其功能可以分成几种类型，下面分别介绍。
3.4.1数据传送类指令
一、核心概念与功能定位
数据传送类指令是计算机指令系统中最基础的指令类型，负责在 寄存器、主存、I/O设备 之间高效复制数据。这类指令的特点是 不改变数据本身的值，仅实现数据的物理或逻辑传递。
二、分类与典型指令
根据数据源与目标的物理位置不同，数据传送类指令可细分为以下4类：
| 类型 | 功能 | 典型指令 | 汇编示例 |
|---|---|---|---|
| 通用传送 | 寄存器/主存间的数据复制 | MOV, LDA (Load), STA (Store) | MOV R1, R2 STA [2000H], R0 |
| 堆栈操作 | 基于堆栈结构实现数据压入和弹出 | PUSH, POP | PUSH AX POP BX |
| I/O操作 | CPU与I/O设备间的数据交互 | IN, OUT | IN AL, 60H OUT 80H, AL |
| 数据交换 | 直接交换两个数据源的值 | XCHG, XCH | XCHG AX, BX |
三、执行流程与硬件支持
1. 通用传送指令（如MOV）
功能：将源操作数复制到目标位置，源数据保留。
核心步骤：
- 取指令：从内存取出指令并译码。
- 获取源数据：根据寻址方式读取源地址数据。
- 写入目标：将数据写入目标地址。
硬件协作：
- 寄存器传输：通过内部总线直接传递数据。
- 主存访问：需要 MAR（内存地址寄存器）保存地址，MDR（内存数据寄存器）暂存数据。
2. 堆栈操作指令（PUSH/POP）
核心流程（基于自底向上生成的内存堆栈）：
- PUSH流程：
- SP指针下移：
SP ← SP - 1（x86架构相反，上移）。 - 数据写入栈顶：将数据存入SP指向的内存单元。
- SP指针下移：
- POP流程：
- 读取栈顶数据。
- SP指针上移：
SP ← SP + 1（x86架构相反，下移）。
示例（x86架构）：
PUSH EAX ; 将EAX内容压入栈顶，SP-4
POP EBX ; 将栈顶数据弹出到EBX，SP+4
3. I/O传送指令（IN/OUT）
工作原理：
- 独立编址：I/O端口与内存地址分开，通过专用IN/OUT指令访问（如x86）。
- 统一编址：I/O设备映射到内存地址空间（如ARM的MMIO）。
IN指令流程（独立编址）：
四、关键硬件支持与总线信号
- 关键寄存器：
- MAR（地址寄存器）：保存目标内存地址。
- MDR（数据寄存器）：临时存储待写入的数据。
- 总线控制信号：
- MIO信号：区分内存与I/O操作（1=内存，0=IO）。
- REQ信号：请求总线使用权。
- WE信号：写使能（1=写，0=读）。
五、典型应用场景
- 函数调用上下文保存：
PUSH保存返回地址、参数和寄存器值。POP恢复现场，继续执行主程序。
- 中断处理：
- 通过
PUSH保存程序状态（PC、标志寄存器）。
- 通过
- 动态内存管理：
MOV指令在内存和寄存器间频繁交换临时数据。
六、联合寻址方式
数据传送指令支持的 寻址方式决定效率：
- 直接寻址：指令直接包含有效地址（如
MOV AX, [2000H]）。 - 寄存器间接寻址：地址存放在寄存器（如
MOV AX, [BX]）。 - 基址/变址寻址：组合基址寄存器和偏移量（如
MOV AX, [SI+10H]）。
七、高级应用与优化
- DMA控制：绕过CPU实现内存与外设直接数据传输。
- 原子操作：通过
XCHG实现锁机制（如自旋锁）。 - 零地址指令优化：利用堆栈隐式寻址减少指令长度（如
PUSH/POP）。
示例总结：寄存器与内存数据传输模型
3.4.2运算类指令
一、运算类指令的类别
运算类指令主要分为 算术运算指令 和 逻辑运算指令，具体分类如下：
1. 算术运算指令
-
加法（ADD/ADC）：完成加法操作，ADC 是带进位的加法。
-
减法（SUB/SBB）：完成减法操作，SBB 是带借位的减法。
-
乘法（MUL/IMUL）：无符号乘法（MUL）和有符号乘法（IMUL）。
-
除法（DIV/IDIV）：无符号除法（DIV）和有符号除法（IDIV）。
-
增量/减量（INC/DEC）：对操作数加1或减1。
-
比较（CMP）：计算两数的差值，但不保存结果，仅更新标志位。
2. 逻辑运算指令
-
按位与（AND）
-
按位或（OR）
-
按位异或（XOR）
-
按位取反（NOT）
-
移位操作：
-
算术移位：保留符号位（SAR、SAL）。
-
逻辑移位：不保留符号位（SHL、SHR）。
-
循环移位：带进位或不带进位（ROR、ROL）。
二、运算指令的执行流程
运算指令分为以下阶段（以加法指令为例）：
1. 取指阶段（Fetch）
-
动作：从程序计数器（PC）指示的地址中取出指令。
-
数据流：
2. 译码阶段（Decode）
-
动作：解析指令，确定操作码（ADD）和操作数类型（寄存器或内存）。
-
关键：控制单元（CU）生成控制信号。
3. 执行阶段（Execute）
- 数据通路：
-
取操作数：从寄存器或内存读取操作数。
-
ALU运算：执行具体的算术或逻辑操作。
-
更新标志位：溢出（OF）、进位（CF）、零（ZF）、符号（SF）等。
4. 写回阶段（Write Back）
-
动作：将结果存入目标寄存器或内存。
-
关键：影响后续指令的条件分支（如
JNZ）。
三、标志位的作用
运算指令执行后会影响以下标志位：
-
ZF（Zero Flag）：结果为0时置1。
-
OF（Overflow Flag）：有符号运算溢出时置1。
-
CF（Carry Flag）：无符号运算进位或借位时置1。
-
SF（Sign Flag）：结果的符号位（最高位）为1时置1。
四、示例：ADD指令的完整流程
假设执行指令 ADD R1, R2, R3（将 R2 和 R3 的值相加，结果存到 R1）：
流程图
步骤详解
-
取指令：从当前 PC 指向的内存地址读取指令。
-
译码：识别是 ADD 指令，提取操作数地址 R2 和 R3。
-
读取操作数：从寄存器 R2、R3 中取出数据。
-
ALU运算：ALU 执行加法运算，生成结果。
-
更新标志：
-
若结果为零，置 ZF=1。
-
若结果溢出，置 OF=1。
- 写回结果：将结果存入目标寄存器 R1，PC 自增指向下一指令。
五、典型运算类指令对比
| 指令类型 | 操作符 | 功能 | 示例（汇编） |
|---|---|---|---|
| 加法 | ADD | 寄存器或立即数加法 | ADD AX, 10 |
| 逻辑运算 | AND | 按位与操作 | AND AX, 0xFF |
| 移位 | SHL | 左移（逻辑或算术） | SHL AX, 1 |
| 比较 | CMP | 比较两数并更新标志位 | CMP AX, BX |
六、核心概念总结
-
数据通路：涉及寄存器、ALU、内存的协同操作。
-
控制信号：CU 通过解析操作码发出信号，控制数据流动。
-
标志位：影响条件分支指令（如
JE、JNE等）的执行。
通过以上内容，可以全面理解运算类指令在计算机中的执行机制和关键流程。
3.4.3程序控制类指令
程序控制类指令用于改变程序的执行顺序，实现分支、循环、子程序调用等功能。
一、核心分类及功能
-
无条件转移指令（JMP）
- 功能：直接修改程序计数器（PC），跳转到指定地址执行。
- 示例：
JMP LABEL - 流程图：
-
条件转移指令（Jump Conditional）
- 功能：根据条件码（状态寄存器标志）决定是否跳转。
常见类型：
| 指令 | 条件 | 说明 |
|---|---|---|
| JE/JZ | ZF=1 | 结果为零 |
| JNE/JNZ | ZF=0 | 结果不为零 |
| JG | (SF=OF)&ZF=0 | 有符号大于 |
| JL | SF≠OF | 有符号小于 |
-
子程序调用与返回
- CALL：保存返回地址（PC+1压栈），跳转到子程序入口。
- RET：弹出返回地址到PC，恢复主程序执行。
- 流程示例：
二、关键机制详解
-
返回地址保存
- 方法：大多数架构使用堆栈保存返回地址（
CALL时压栈，RET时弹栈）。 - 示例：
CALL 0x1000的执行步骤：将当前PC（下一条指令地址）压入栈PC ← 0x1000
- 方法：大多数架构使用堆栈保存返回地址（
-
条件判断逻辑
- 依赖标志位：ZF（零标志）、CF（进位）、SF（符号）、OF（溢出）。
- 跳转电路：CPU内部通过状态寄存器和组合逻辑决定是否跳转。
-
寻址模式的影响
- 相对跳转：
JMP +25（当前PC+25）。 - 绝对跳转：
JMP 0xFF00（直接跳转到目标地址）。
- 相对跳转：
三、综合执行流程
- 无条件转移（JMP）
- 条件转移（JE）
- 子程序调用（CALL/RET）
四、典型应用场景
-
循环控制
-
示例：通过
LOOP递减计数器并判断是否为0。MOV CX, 5 LOOP_START:; 循环体...LOOP LOOP_START ; CX-1, if CX≠0跳转
-
-
分支选择
- 多路分支：通过嵌套条件跳转实现
if-else或switch。
- 多路分支：通过嵌套条件跳转实现
-
中断处理
- 隐式调用：硬件中断自动触发类似
CALL的操作，保存上下文后跳转中断服务程序。
- 隐式调用：硬件中断自动触发类似
五、注意事项
- 性能影响：跳转指令可能导致流水线停顿，需谨慎优化。
- 栈平衡：子程序中需确保
RET前栈指针与CALL时一致。 - 标志位安全：子程序执行期间需保存和恢复相关寄存器避免破坏主程序状态。
3.4.4输入输出类指令
一、I/O类指令的核心功能
I/O类指令用于CPU与外部设备之间的数据交换和控制，主要包括：
- 数据传输：CPU与I/O设备之间交换数据（如键盘输入、屏幕输出）。
- 设备控制：发送指令控制外设（如启动磁盘读取）。
- 状态查询：读取外设状态（如判断设备是否就绪）。
典型I/O指令：
IN：从外设读取数据到CPU寄存器（输入）。OUT：向外部设备发送数据（输出）。START：启动外设操作（如开始打印）。HALT：停止外设操作。
二、I/O指令的两种编址方式
1. 独立编址（I/O-Mapped I/O）
- 特点：外设地址与内存地址完全独立，需专用
IN/OUT指令操作。 - 优点：I/O设备与内存地址空间不冲突。
- 缺点：需要额外的控制逻辑。
- 示例：
IN AL, 60h：从I/O端口60h读取数据到寄存器AL。OUT 80h, AL：将AL的内容输出到I/O端口80h。
2. 统一编址（Memory-Mapped I/O）
- 特点：外设寄存器映射到内存地址空间，可通过普通访存指令访问。
- 优点：简化指令设计，兼容通用指令。
- 缺点：占用内存地址空间。
- 示例：
MOV AX, [0f000h]：读取外设0F000h的输入数据。MOV [0f001h], AX：向0F001h端口写入数据。
三、典型I/O指令的执行流程
1. 输入指令（IN）执行流程
2. 输出指令（OUT）执行流程
四、关键硬件部件与流程图
1. 典型I/O系统结构
2. I/O指令执行的控制信号流程
五、设计案例分析
案例：从键盘输入字符并显示
六、关键问题与答案
-
Q：独立编址和统一编址有何区别？
- 独立编址需专用指令（如IN/OUT），外设端口独立；统一编址通过普通访存指令操作外设。
-
Q：I/O指令为何需要状态寄存器？
- 为了解决外设速度与CPU不匹配的问题。例如：CPU通过状态寄存器查询设备是否就绪（如“就绪位”是否为1）。
-
Q：什么是轮询与中断？
- 轮询：CPU持续查询外设状态（效率低，适用于简单设备）。
- 中断：外设通过中断控制器主动通知CPU（效率高，复杂系统常用）。
