一臺計算機的指令系統可以有上百條指令，這些指令按其功能可以分成幾種類型，下面分別介紹。

3.4.1數據傳送類指令

一、核心概念與功能定位

數據傳送類指令是計算機指令系統中最基礎的指令類型，負責在 寄存器、主存、I/O設備 之間高效復制數據。這類指令的特點是 不改變數據本身的值，僅實現數據的物理或邏輯傳遞。

二、分類與典型指令

根據數據源與目標的物理位置不同，數據傳送類指令可細分為以下4類：

類型	功能	典型指令	匯編示例
通用傳送	寄存器/主存間的數據復制	MOV, LDA (Load), STA (Store)	MOV R1, R2 STA [2000H], R0
堆棧操作	基于堆棧結構實現數據壓入和彈出	PUSH, POP	PUSH AX POP BX
I/O操作	CPU與I/O設備間的數據交互	IN, OUT	IN AL, 60H OUT 80H, AL
數據交換	直接交換兩個數據源的值	XCHG, XCH	XCHG AX, BX

三、執行流程與硬件支持

1. 通用傳送指令（如MOV）

功能：將源操作數復制到目標位置，源數據保留。
核心步驟：

1. 取指令：從內存取出指令并譯碼。
2. 獲取源數據：根據尋址方式讀取源地址數據。
3. 寫入目標：將數據寫入目標地址。

硬件協作：

• 寄存器傳輸：通過內部總線直接傳遞數據。
• 主存訪問：需要 MAR（內存地址寄存器）保存地址，MDR（內存數據寄存器）暫存數據。

2. 堆棧操作指令（PUSH/POP）

核心流程（基于自底向上生成的內存堆棧）：

• PUSH流程：
  1. SP指針下移：SP ← SP - 1（x86架構相反，上移）。
  2. 數據寫入棧頂：將數據存入SP指向的內存單元。

• POP流程：
  1. 讀取棧頂數據。
  2. SP指針上移：SP ← SP + 1（x86架構相反，下移）。

示例（x86架構）：

PUSH EAX    ; 將EAX內容壓入棧頂，SP-4
POP EBX     ; 將棧頂數據彈出到EBX，SP+4

3. I/O傳送指令（IN/OUT）

工作原理：

• 獨立編址：I/O端口與內存地址分開，通過專用IN/OUT指令訪問（如x86）。
• 統一編址：I/O設備映射到內存地址空間（如ARM的MMIO）。

IN指令流程（獨立編址）：

四、關鍵硬件支持與總線信號

1. 關鍵寄存器：
   • MAR（地址寄存器）：保存目標內存地址。
   • MDR（數據寄存器）：臨時存儲待寫入的數據。
2. 總線控制信號：
   • MIO信號：區分內存與I/O操作（1=內存，0=IO）。
   • REQ信號：請求總線使用權。
   • WE信號：寫使能（1=寫，0=讀）。

五、典型應用場景

1. 函數調用上下文保存：
   • PUSH保存返回地址、參數和寄存器值。
   • POP恢復現場，繼續執行主程序。
2. 中斷處理：
   • 通過PUSH保存程序狀態（PC、標志寄存器）。
3. 動態內存管理：
   • MOV指令在內存和寄存器間頻繁交換臨時數據。

六、聯合尋址方式

數據傳送指令支持的 尋址方式決定效率：

• 直接尋址：指令直接包含有效地址（如MOV AX, [2000H]）。
• 寄存器間接尋址：地址存放在寄存器（如MOV AX, [BX]）。
• 基址/變址尋址：組合基址寄存器和偏移量（如MOV AX, [SI+10H]）。

七、高級應用與優化

• DMA控制：繞過CPU實現內存與外設直接數據傳輸。
• 原子操作：通過XCHG實現鎖機制（如自旋鎖）。
• 零地址指令優化：利用堆棧隱式尋址減少指令長度（如PUSH/POP）。

示例總結：寄存器與內存數據傳輸模型

3.4.2運算類指令

一、運算類指令的類別

運算類指令主要分為 算術運算指令 和 邏輯運算指令，具體分類如下：

1. 算術運算指令

• 加法（ADD/ADC）：完成加法操作，ADC 是帶進位的加法。

• 減法（SUB/SBB）：完成減法操作，SBB 是帶借位的減法。

• 乘法（MUL/IMUL）：無符號乘法（MUL）和有符號乘法（IMUL）。

• 除法（DIV/IDIV）：無符號除法（DIV）和有符號除法（IDIV）。

• 增量/減量（INC/DEC）：對操作數加1或減1。

• 比較（CMP）：計算兩數的差值，但不保存結果，僅更新標志位。

2. 邏輯運算指令

• 按位與（AND）

• 按位或（OR）

• 按位異或（XOR）

• 按位取反（NOT）

• 移位操作：

• 算術移位：保留符號位（SAR、SAL）。

• 邏輯移位：不保留符號位（SHL、SHR）。

• 循環移位：帶進位或不帶進位（ROR、ROL）。

二、運算指令的執行流程

運算指令分為以下階段（以加法指令為例）：

1. 取指階段（Fetch）

• 動作：從程序計數器（PC）指示的地址中取出指令。

• 數據流：
  

2. 譯碼階段（Decode）

• 動作：解析指令，確定操作碼（ADD）和操作數類型（寄存器或內存）。

• 關鍵：控制單元（CU）生成控制信號。

3. 執行階段（Execute）

• 數據通路：

1. 取操作數：從寄存器或內存讀取操作數。

2. ALU運算：執行具體的算術或邏輯操作。

3. 更新標志位：溢出（OF）、進位（CF）、零（ZF）、符號（SF）等。

4. 寫回階段（Write Back）

• 動作：將結果存入目標寄存器或內存。

• 關鍵：影響后續指令的條件分支（如JNZ）。

三、標志位的作用

運算指令執行后會影響以下標志位：

• ZF（Zero Flag）：結果為0時置1。

• OF（Overflow Flag）：有符號運算溢出時置1。

• CF（Carry Flag）：無符號運算進位或借位時置1。

• SF（Sign Flag）：結果的符號位（最高位）為1時置1。

四、示例：ADD指令的完整流程

假設執行指令 ADD R1, R2, R3（將 R2 和 R3 的值相加，結果存到 R1）：

流程圖

步驟詳解

1. 取指令：從當前 PC 指向的內存地址讀取指令。

2. 譯碼：識別是 ADD 指令，提取操作數地址 R2 和 R3。

3. 讀取操作數：從寄存器 R2、R3 中取出數據。

4. ALU運算：ALU 執行加法運算，生成結果。

5. 更新標志：

• 若結果為零，置 ZF=1。

• 若結果溢出，置 OF=1。

6. 寫回結果：將結果存入目標寄存器 R1，PC 自增指向下一指令。

五、典型運算類指令對比

指令類型	操作符	功能	示例（匯編）
加法	ADD	寄存器或立即數加法	ADD AX, 10
邏輯運算	AND	按位與操作	AND AX, 0xFF
移位	SHL	左移（邏輯或算術）	SHL AX, 1
比較	CMP	比較兩數并更新標志位	CMP AX, BX

六、核心概念總結

• 數據通路：涉及寄存器、ALU、內存的協同操作。

• 控制信號：CU 通過解析操作碼發出信號，控制數據流動。

• 標志位：影響條件分支指令（如 JE、JNE 等）的執行。

通過以上內容，可以全面理解運算類指令在計算機中的執行機制和關鍵流程。

3.4.3程序控制類指令

程序控制類指令用于改變程序的執行順序，實現分支、循環、子程序調用等功能。

一、核心分類及功能

1. 無條件轉移指令（JMP）

   • 功能：直接修改程序計數器（PC），跳轉到指定地址執行。
   • 示例：JMP LABEL
   • 流程圖：
     

2. 條件轉移指令（Jump Conditional）

   • 功能：根據條件碼（狀態寄存器標志）決定是否跳轉。

常見類型：

指令	條件	說明
JE/JZ	ZF=1	結果為零
JNE/JNZ	ZF=0	結果不為零
JG	(SF=OF)&ZF=0	有符號大于
JL	SF≠OF	有符號小于

3. 子程序調用與返回

   • CALL：保存返回地址（PC+1壓棧），跳轉到子程序入口。
   • RET：彈出返回地址到PC，恢復主程序執行。
   • 流程示例：
     

二、關鍵機制詳解

1. 返回地址保存

   • 方法：大多數架構使用堆棧保存返回地址（CALL時壓棧，RET時彈棧）。
   • 示例：CALL 0x1000的執行步驟：
     1. 將當前PC（下一條指令地址）壓入棧
     2. PC ← 0x1000

2. 條件判斷邏輯

   • 依賴標志位：ZF（零標志）、CF（進位）、SF（符號）、OF（溢出）。
   • 跳轉電路：CPU內部通過狀態寄存器和組合邏輯決定是否跳轉。

3. 尋址模式的影響

   • 相對跳轉：JMP +25（當前PC+25）。
   • 絕對跳轉：JMP 0xFF00（直接跳轉到目標地址）。

三、綜合執行流程

1. 無條件轉移（JMP）

2. 條件轉移（JE）

3. 子程序調用（CALL/RET）
   

四、典型應用場景

1. 循環控制

   • 示例：通過LOOP遞減計數器并判斷是否為0。

     MOV CX, 5
     LOOP_START:; 循環體...LOOP LOOP_START  ; CX-1, if CX≠0跳轉
     

2. 分支選擇

   • 多路分支：通過嵌套條件跳轉實現if-else或switch。

3. 中斷處理

   • 隱式調用：硬件中斷自動觸發類似CALL的操作，保存上下文后跳轉中斷服務程序。

五、注意事項

• 性能影響：跳轉指令可能導致流水線停頓，需謹慎優化。
• 棧平衡：子程序中需確保RET前棧指針與CALL時一致。
• 標志位安全：子程序執行期間需保存和恢復相關寄存器避免破壞主程序狀態。

3.4.4輸入輸出類指令

一、I/O類指令的核心功能

I/O類指令用于CPU與外部設備之間的數據交換和控制，主要包括：

1. 數據傳輸：CPU與I/O設備之間交換數據（如鍵盤輸入、屏幕輸出）。
2. 設備控制：發送指令控制外設（如啟動磁盤讀取）。
3. 狀態查詢：讀取外設狀態（如判斷設備是否就緒）。

典型I/O指令：

• IN：從外設讀取數據到CPU寄存器（輸入）。
• OUT：向外部設備發送數據（輸出）。
• START：啟動外設操作（如開始打印）。
• HALT：停止外設操作。

二、I/O指令的兩種編址方式

1. 獨立編址（I/O-Mapped I/O）

• 特點：外設地址與內存地址完全獨立，需專用IN/OUT指令操作。
• 優點：I/O設備與內存地址空間不沖突。
• 缺點：需要額外的控制邏輯。
• 示例：
  • IN AL, 60h：從I/O端口60h讀取數據到寄存器AL。
  • OUT 80h, AL：將AL的內容輸出到I/O端口80h。

2. 統一編址（Memory-Mapped I/O）

• 特點：外設寄存器映射到內存地址空間，可通過普通訪存指令訪問。
• 優點：簡化指令設計，兼容通用指令。
• 缺點：占用內存地址空間。
• 示例：
  • MOV AX, [0f000h]：讀取外設0F000h的輸入數據。
  • MOV [0f001h], AX：向0F001h端口寫入數據。

三、典型I/O指令的執行流程

1. 輸入指令（IN）執行流程

2. 輸出指令（OUT）執行流程

四、關鍵硬件部件與流程圖

1. 典型I/O系統結構

2. I/O指令執行的控制信號流程

五、設計案例分析

案例：從鍵盤輸入字符并顯示

六、關鍵問題與答案

1. Q：獨立編址和統一編址有何區別？

   • 獨立編址需專用指令（如IN/OUT），外設端口獨立；統一編址通過普通訪存指令操作外設。

2. Q：I/O指令為何需要狀態寄存器？

   • 為了解決外設速度與CPU不匹配的問題。例如：CPU通過狀態寄存器查詢設備是否就緒（如“就緒位”是否為1）。

3. Q：什么是輪詢與中斷？

   • 輪詢：CPU持續查詢外設狀態（效率低，適用于簡單設備）。
   • 中斷：外設通過中斷控制器主動通知CPU（效率高，復雜系統常用）。