指令系统是什么_一文解答

早期的计算机很不灵活，每个设备要执行的步骤都作为机器的一部分内置在控制单元中了。为了提高灵活性，一些早期的电子计算机将CPU设计为可以方便地重新布线。这种灵活性是通过插拔装置体现的，类似于老式电话交换台，跳线的端子插到接线孔中。

意识到程序可以像数据一样编码并存储到主存中，这是一个重大的突破。如果控制单元被设计为从存储器中获取程序，解码指令并执行指令，那么只要更改计算机主存的内容，就可以改变计算机运行的程序，而不需要重写CPU。

将计算机程序存入主存的想法被称为存储程序概念（Stored-Program Concept）。

为了应用存储程序概念，CPU被设计为可以识别编码成位模式的指令。这组指令及相应的编码系统被称为机器语言（Machine Language）。用机器语言表达的指令就叫作机器级指令，或机器指令（Machine Instruction）。

CPU所能完成的操作是由其执行的指令决定的，这些指令称为机器指令。CPU能执行的所有机器指令的集合称为该CPU的指令系统。指令系统设计的好坏、功能的强弱，会对整个计算机产生很大的影响，指令系统是计算机中硬件与软件之间的接口。

1 指令系统指令格式

指令是指挥计算机完成各种操作的基本命令，一般来说，一条指令包括两个基本组成部分：操作码和地址码。

操作码说明指令的功能及操作性质。地址码用来指出指令的操作对象，它指出操作数或操作数的地址及指令执行结果的地址，类似于C语言的表达式及赋值语句。

按照指令中地址码的数量，指令格式分为以下几种：

三地址指令格式：OP A B C

A OP B → C

二地址指令格式：OP A B

A OP B → A

一地址指令格式：OP A

OP A → A

零地址指令格式：OP

2寻址方式

如何对指令中的地址字段进行解释，以获得操作数的方法或转移地址的方法，操作数的位置可能在指令中、寄存器中、存储器中或I/O端口中，常用的寻址方式有立即数寻址、直接寻址、寄存器寻址、寄存器间接寻址等。

2.1 立即数寻址方式

操作数作为指令的一部分而直接写在指令中，这种操作数称为立即数，这种寻址方式也就称为立即数寻址方式。

立即数可以是8位、16位或32位，该数值紧跟在操作码之后。

在汇编语言中，规定：立即数不能作为指令中的第二操作数。该规定与高级语言中“赋值语句的左边不能是常量”的规定相一致。

立即数寻址方式通常用于对通用寄存器或内存单元赋初值。

如：MOV AX，2346H ；将16位立即数2346H送入寄存器AX。

2.2 寄存器寻址方式

指令所要的操作数已存储在某寄存器中，或把目标操作数存入寄存器。把在指令中指出所使用寄存器(即：寄存器的助忆符)的寻址方式称为寄存器寻址方式。

指令中可以引用的寄存器及其符号名称如下：

8位寄存器有：AH、AL、BH、BL、CH、CL、DH和DL等；

16位寄存器有：AX、BX、CX、DX、SI、DI、SP、BP和段寄存器等；

32位寄存器有：EAX、EBX、ECX、EDX、ESI、EDI、ESP和EBP等。

寄存器寻址方式是一种简单快捷的寻址方式，源和目的操作数都可以是寄存器。

2.3 直接寻址方式

直接寻址方式是指操作数在存储器中，操作数的有效地址（16位偏移量）直接包含在指令中。

2.4 寄存器间接寻址方式

寄存器间接寻址是将指定的寄存器内容为地址，由该地址所指定的单元内容作为操作数。

例如，设将内部RAM的65H单元内容（47H）送A，可执行指令：MOV A，@R0，其中R0内容为65H。

指令的执行过程为：当程序执行到本指令时，就以指令中所指定的工作寄存器R0的内容（65H）为指针，将内部数据存储器65H单元的内容（47H）送累加器A。

2.5 寄存器相对寻址方式

该寻址方式是以指定的寄存器内容，加上指令中给出的位移量（8位或16位），并以一个段寄存器为基准，作为操作数的地址。指定的寄存器一般是一个基址寄存器或变址寄存器。

假设指令：MOV BX, [SI+100H]，在执行它时，(DS)=1000H，(SI)=2345H，内存单元12445H的内容为2715H。

根据寄存器相对寻址方式的规则，在执行本例指令时，源操作数的有效地址EA为：

EA=(SI)+100H=2345H+100H=2445H

该操作数的物理地址应由DS和EA的值形成，即：

PA=(DS)*16+EA=1000H*16+2445H=12445H。

所以，该指令的执行效果是：把从物理地址为12445H开始的一个字的值传送给BX。

2.6 基址加变址寻址方式

基址加变址寻址方式是指将寄存器（该寄存器一般指基址寄存器）的内容与指令中给出的地址偏移量相加，从而得到一个操作数的有效地址。

假设指令：MOV BX, [BX+SI]，在执行时，(DS)=1000H，(BX)=2100H，(SI)=0011H，内存单元12111H的内容为1234H。

根据基址加变址寻址方式的规则，在执行本例指令时，源操作数的有效地址EA为：

EA=(BX)+(SI)=2100H+0011H=2111H

该操作数的物理地址应由DS和EA的值形成，即：

PA=(DS)*16+EA=1000H*16+2111H=12111H

所以，该指令的执行效果是：把从物理地址为12111H开始的一个字的值传送给BX。

2.7 相对基址加变址寻址方式

在相对基址变址寻址方式中，通常把BX和BP看作是基址寄存器，把SI和DI看作变址寄存器。它是把一个基址寄存器BX或BP的内容，加上变址寄存器SI或DI的内容，再加上指令中给定的8位或16位位移量，并以一个段寄存器作为地址基准，作为操作数的地址。

假设指令：MOV AX, [BX+SI+200H]，在执行时，(DS)=1000H，(BX)=2100H，(SI)=0010H，内存单元12310H的内容为1234H。

根据相对基址加变址寻址方式的规则，在执行本例指令时，源操作数的有效地址EA为：

EA=(BX)+(SI)+200H=2100H+0010H+200H=2310H

该操作数的物理地址应由DS和EA的值形成，即：

PA=(DS)*16+EA=1000H*16+2310H=12310H

所以，该指令的执行效果是：把从物理地址为12310H开始的一个字的值传送给AX。

3 指令种类

3.1 数据传送指令

这是一种常用的指令，用以实现寄存器与寄存器，寄存器与存储单元以及存储器单元与存储器单元之间的数据传送，对于存储器来说，数据传送包括对数据的读(相当于取数指令)和写(相当于存数指令)操作。

通用数据传送指令 MOV

条件传送指令 CMOVcc

交换指令 XCHG/XLAT/BSWAP

地址或段描述符选择子传送指令 LEA/LDS/LES/LFS/LGS/LSS等

3.2 算术运算指令

计算机指令系统一般都设有二进制数加、减、比较和求补等最基本的指令，此外还设置了乘、除法运算指令、浮点运算指令以有十进制动算指令等。

加法指令 ADD/ADC

减法指令 SUB/SBB

加一指令 INC

减一指令 DEC

比较操作指令 CMP

乘法指令 MUL/IMUL

除法指令 DIV/IDIV

符号扩展指令 CBW/CWDE/CDQE

十进制调整指令 DAA/DAS/AAA/AAS

3.3 逻辑运算指令

一般计算机都具有与、或、非(求反)、异或(按位加)和测试等逻辑运算指令。

逻辑运算指令 NOT/AND/OR/XOR/TEST等。

3.4 移位操作指令

移位操作指令分为算术移位、逻辑移位和循环移位三种，可以实现对操作数左移或右移一位或若干位。

逻辑左移指令 SHL

逻辑右移指令 SHR

算术左移指令 SAL

算术右移指令 SAR

循环左移指令 ROL

循环右移指令 ROR等。

位测试指令 BT 位测试并置位指令 BTS 位测试并复位指令 BTR 位测试并取反指令 BTC 位向前扫描指令 BSF 位向后扫描指令 BSR等。 3.5 程序控制（转移）类指令

主要有以下类别：

无条件转移指令 JMP； 条件转移指令 Jcc/JCXZ； 循环指令 LOOP/LOOPE/LOOPNE； 过程调用指令 CALL； 子过程返回指令 RET； 中断指令 INTn、INT3、INTO、IRET等。 3.6 输入输出(I/O)指令。

计算机本身是数据处理和管理机构，不能产生原始数据，也不能长期保存数据。所处理的一切原始数据均来自输入设备，所得的处理结果必须通过外总设备输出。

指令的功能是从I/O端口输入（读）数据到微处理器的累加器中，OUT指令的功能是将微处理器的累加器中的数据输出（写）到I/O端口中。

端口输入指令 IN/INS

端口输出指令 OUT/OUTS。

3.7 堆栈操作指令

堆栈是由若干个连续存储单元组成的先进后出(FILO)存储区，第一个送入堆栈中的数据存放在栈底，最后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不断变化。

堆栈指针sp总是指向已经存入数据的栈顶（不是空单元），所以PUSH指令是将（SP）减2，后将内容压栈（即先修改SP是指指向空单元，后压入数据），而POP是先从栈顶弹出一个字，后将堆栈指针SP加2。

堆栈操作指令

PUSH/PUSHA/PUSHAD/POP/POPA/POPAD

3.8 字符串处理指令

字符串处理指令就是一种非数值处理指令，一般包括字符串传送，字符串转换(把一种编码的字符串转换成另一种编码的字符串)，字符串比较，字符串查找(查找字符串中某一子串)，字符串匹配，字符串的抽取(提取某一子串)和替换(把某一字符串用另一字符串替换)等。

串传送指令 MOVS

串比较指令 CMPS

串扫描指令 SCANS

串加载指令 LODS

串保存指令 STOS

这些指令可以有选择地使用REP/REPE/REPZ/REPNE和REPNZ的前缀以连续操作。

3.9 其它指令

如处理机控制类指令、数据转换类指令。

4 C代码与汇编指令

可以在代码中设置断点进行调试然后查看调试窗口（Alt+8），即可看到C语言与汇编代码的对照。

1: #include <iostream>

2: using namespace std;

3: int max(int a,int b)

4: {

00401550 push ebp

00401551 mov ebp,esp

00401553 sub esp,40h

00401556 push ebx

00401557 push esi

00401558 push edi

00401559 lea edi,[ebp-40h]

0040155C mov ecx,10h

00401561 mov eax,0CCCCCCCCh

00401566 rep stos dword ptr [edi]

5: if(a>=b)

00401568 mov eax,dword ptr [ebp+8]

0040156B cmp eax,dword ptr [ebp+0Ch]

0040156E jl max+25h (00401575)

6: return a;

00401570 mov eax,dword ptr [ebp+8]

00401573 jmp max+28h (00401578)

7: else

8: return b;

00401575 mov eax,dword ptr [ebp+0Ch]

9: }

00401578 pop edi

00401579 pop esi

0040157A pop ebx

0040157B mov esp,ebp

0040157D pop ebp

0040157E ret

10: void main()

11: {

00401590 push ebp

00401591 mov ebp,esp

00401593 sub esp,44h

00401596 push ebx

00401597 push esi

00401598 push edi

00401599 lea edi,[ebp-44h]

0040159C mov ecx,11h

004015A1 mov eax,0CCCCCCCCh

004015A6 rep stos dword ptr [edi]

12: int i = 0;

004015A8 mov dword ptr [ebp-4],0

13: i=max(3,4);

004015AF push 4

004015B1 push 3

004015B3 call @ILT+500(max) (004011f9)

004015B8 add esp,8

004015BB mov dword ptr [ebp-4],eax

14: cout<<i;

004015BE mov eax,dword ptr [ebp-4]

004015C1 push eax

004015C2 mov ecx,offset std::cout (0047be90)

004015C7 call @ILT+245(std::basic_ostream<char,std::char_traits<char> >::operator<<) (004010fa)

15:

16: }

004015CC pop edi

004015CD pop esi

004015CE pop ebx

004015CF add esp,44h

004015D2 cmp ebp,esp

004015D4 call __chkesp (00420310)

004015D9 mov esp,ebp

004015DB pop ebp

004015DC ret