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计算机组成原理笔记(十四)——3.4指令类型

news 来源：原创 2025/9/7 9:55:34

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。

在这里插入图片描述

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：
1. SP指针下移：SP ← SP - 1（x86架构相反，上移）。
2. 数据写入栈顶：将数据存入SP指向的内存单元。

在这里插入图片描述

POP流程：
1. 读取栈顶数据。
2. SP指针上移：SP ← SP + 1（x86架构相反，下移）。

在这里插入图片描述

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）：

在这里插入图片描述

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）。
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

在这里插入图片描述

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

在这里插入图片描述

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

在这里插入图片描述

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：
  1. 将当前PC（下一条指令地址）压入栈
  2. PC ← 0x1000
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）。

三、综合执行流程

无条件转移（JMP）

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条件转移（JE）

在这里插入图片描述

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。
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。

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。

在这里插入图片描述

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

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2. 输出指令（OUT）执行流程

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四、关键硬件部件与流程图

1. 典型I/O系统结构

在这里插入图片描述

2. I/O指令执行的控制信号流程

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五、设计案例分析

案例：从键盘输入字符并显示

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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）。

计算机组成原理笔记(十四)——3.4指令类型

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Android Compose 权限申请完整指南在 Jetpack Compose 中处理运行时权限申请需要结合传统的权限 API 和 Compose 的状态管理。以下是完整的实现方案： 1. 基本权限申请流程添加依赖 implementation "com.google.accompanist:accompanist-permissions:0.34…...

编程日记 2025/8/27 1:22:04

VirtualBox虚拟机转换到VMware

VirtualBox虚拟机转换到VMware **参考文章：**https://blog.csdn.net/qq_30054403/article/details/123451969 一.找到对应文件位置 Windows11系统，VirtualBox版本为6.1.50，VMware版本为17.5.2 1.首先找到自己需要转换的vdi文件位置 D:\v…...

编程日记 2025/9/6 18:53:04

Spring Boot（二十二）：RedisTemplate的List类型操作

RedisTemplate和StringRedisTemplate的系列文章详见： Spring Boot（十七）：集成和使用Redis Spring Boot（十八）：RedisTemplate和StringRedisTemplate Spring Boot（十九）…...

编程日记 2025/9/2 21:49:22

【MySQL】关于何时使用start slave和start slave user=‘’ password=‘’

这个问题是我在配置三个服务器的复制拓扑时，一开始没有给复制用户 repl 创建密码，搭建好循环拓扑后，给server1的复制用户通过 ALTER USER USER() IDENTIFIED BY oracle 设置了密码，然后同步给了server2和server3。这时server2突…...

编程日记 2025/9/5 7:39:54

（个人题解）第十六届蓝桥杯大赛软件赛省赛C/C++ 研究生组

宇宙超级无敌声明：个人题解（好久不训练，赛中就是一个憨憨） 先放代码吧，回头写思路。文章目录 A. 数位倍数B. IPv6C. 变换数组D. 最大数字E. 冷热数据队列F. 01串G. 甘蔗H. 原料采购 A. 数位倍数问： 在1至…...

编程日记 2025/9/6 16:19:59

GitLab + Jenkins + .Net8 实现CICD部署

前提条件：需要安装好 Jenkins 和 GitLab 。 1. Jenkins配置登录 Jenkins 找到自己的一个任务，点击配置（没有任务就新建）。按图操作点击高级展开后截图，点击生成Token 配置好自己的作业（我的是一个 .Ne…...

编程日记 2025/9/5 22:26:04

AI工具导航快速找到喜欢的AI工具功能使用介绍

此篇文章内容来源CTO Plus技术服务栈官网：http://www.mdrsec.com/ 在人工智能技术迅猛发展的2025年，AI工具的数量和种类呈爆炸式增长，涵盖文本生成、图像创作、视频编辑、编程辅助等多个领域。面对琳琅满目的AI工具，如何高效筛选和…...

编程日记 2025/9/2 13:39:39

[题解] Educational Codeforces Round 168 (Rated for Div. 2) E - level up

链接思路 1 注意到在 k ∈ [ 1 , n ] k \in [1,n] k∈[1,n] 可以得到的最高等级分别为: n , n 2 , n 3 . . . . . n n n,\frac{n}{2},\frac{n}{3}.....\frac{n}{n} n,2n,3n.....nn, 总的个数是一个调和级数, s u m n ∗ ln ⁡ n sumn*\ln n sumn∗lnn, 完全可以处…...

编程日记 2025/9/4 12:28:14

达梦数据库-学习-19-兼容ORACLE相关参数介绍

目录一、环境信息二、介绍三、参数一、环境信息名称值CPU12th Gen Intel(R) Core(TM) i7-12700H操作系统CentOS Linux release 7.9.2009 (Core)内存4G逻辑核数2DM版本1 DM Database Server 64 V8 2 DB Version: 0x7000c 3 03134284194-202…...

编程日记 2025/9/3 12:02:00

3.4.1数据传送类指令

一、核心概念与功能定位

二、分类与典型指令

三、执行流程与硬件支持

1. 通用传送指令（如MOV）

2. 堆栈操作指令（PUSH/POP）

3. I/O传送指令（IN/OUT）

四、关键硬件支持与总线信号

五、典型应用场景

六、联合寻址方式

七、高级应用与优化

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

1. 算术运算指令

2. 逻辑运算指令

二、运算指令的执行流程

1. 取指阶段（Fetch）

2. 译码阶段（Decode）

3. 执行阶段（Execute）

4. 写回阶段（Write Back）

三、标志位的作用

四、示例：ADD指令的完整流程

流程图

步骤详解

五、典型运算类指令对比

六、核心概念总结

3.4.3程序控制类指令

一、核心分类及功能

二、关键机制详解

三、综合执行流程

四、典型应用场景

五、注意事项

3.4.4输入输出类指令

一、I/O类指令的核心功能

典型I/O指令：

二、I/O指令的两种编址方式

1. 独立编址（I/O-Mapped I/O）

2. 统一编址（Memory-Mapped I/O）

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

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