微机CPU的指令系统
5.1 汇编语言指令格式
为了介绍指令系统中指令的功能，先要清楚汇编语言是如何书写指令的，这就象在学习高级语言程序设计时，要清楚高级语言语句的语义、语法及其相关规定一样。
5.1.1 指令格式
汇编语言的指令格式如下：
指令助忆符 [操作数1 [, 操作数2 [, 操作数3]]] [;注释]
指令助忆符体现该指令的功能，它对应一条二进制编码的机器指令。指令的操作数个数由该指令确定，可以没有操作数，也可以有一个、二个或三个操作数。绝大多数指令的操作数要显式的写出来，但也有指令的操作数是隐含的，不需要在指令中写出。
当指令含有操作数，并要求在指令中显式地写出来时，则在书写时必须遵守：
● 指令助忆符和操作数之间要有分隔符，分隔符可以是若干个空格或TAB键；
● 如果指令含有多个操作数，那么，操作数之间要用逗号"，"分开。
指令后面还可以书写注释内容，不过，要在注释之前书写分号"；"。
5.1.2 了解指令的几个方面
在学习汇编指令时，指令的功能无疑是我们学习和掌握的重点，但要准确、有效地运用这些指令，我们还要熟悉系统对每条指令的一些规定或约束。
归纳起来，对指令还要掌握以下几个方面内容：
1、要求指令操作数的寻址方式；
2、指令对标志位的影响、标志位对指令的影响；
3、指令的执行时间，对可完成同样功能的指令，要选用执行时间短的指令(见汇编语言从入门到精通-指令汇总)。
5.2、指令系统
指令系统是CPU指令的集合，CPU除了具有计算功能的指令外，还有实现其它功能的指令，也有为某种特殊的应用而增设的指令。
通常，把指令按其功能分成以下几大类：
数据传送指令 循环指令
标志位操作指令 转移指令
算术运算指令 条件设置字节指令
逻辑运算指令 字符串操作指令
移位操作指令 ASCII-BCD码运算调整指令
位操作指令 处理器指令
比较运算指令
下面，我们逐一介绍每类指令中的指令。
5.2.1 数据传送指令
数据传送指令又分为：传送指令、交换指令、地址传送指令、堆栈操作指令、转换指令和I/O指令等。
除了标志位操作指令SAHF和POPF指令外，本类的其它指令都不影响标志位。
1、传送指令MOV(Move Instruction)
传送指令是使用最频繁的指令，它相对于高级语言里的赋值语句。指令的格式如下：
MOV Reg/Mem, Reg/Mem/Imm
其中：Reg—Register(寄存器)，Mem—Memory(存储器)，Imm—Immediate(立即数)，它们可以是8位、16位或32位(特别指出其位数的除外)。在本网络课件的网页中，都将采用上述缩写，此后不再说明。
指令的功能是把源操作数(第二操作数)的值传给目的操作数(第一操作数)。指令执行后，目的操作数的值被改变，而源操作数的值不变。在存储单元是该指令的一个操作数时，该操作数的寻址方式可以是任意一种存储单元寻址方式。
下面列举几组正确的指令例子：
源操作数是寄存器
MOV CH, AL MOV BP, SP MOV ECX, EBX
MOV DS, AX MOV [BX], CH MOV [BX+SI], AX
源操作数是存储单元
MOV AL, [100H] MOV BX, ES:[DI] MOV EDX, [BX]
MOV BX, VARW MOV AX, [BX+SI] MOV CH, [BX+DI+100H]
其中：VARW是字类型内存变量(下同)。
源操作数是立即数
MOV AL, 89H MOV BX, -100H MOV EDX, 12345678H
MOV VARW, 200H MOV [BX], 2345H MOV [BX+DI], 1234H
在汇编语言中，主要的数据传送方式如图5.1所示。虽然一条MOV指令能实现其中大多数的数据传送方式，但也存在MOV指令不能实现的传送方式。
图5.1 MOV指令数据传送示意图
对MOV指令有以下几条具体规定，其中有些规定对其它指令也同样有效。
1)、两个操作数的数据类型要相同，要同为8位、16位或32位；如：MOV BL, AX等是不正确的;
2)、两个操作数不能同时为段寄存器，如：MOV ES, DS等；
3)、代码段寄存器CS不能为目的操作数，但可作为源操作数，如：指令MOV CS, AX等不正确，但指令MOV AX, CS等是正确的；
4)、立即数不能直接传给段寄存器，如：MOV DS, 100H等；
5)、立即数不能作为目的操作数，如：MOV 100H, AX等；
6)、指令指针IP，不能作为MOV指令的操作数；
7)、两个操作数不能同时为存储单元，如：MOV VARA, VARB等，其中VARA和VARB是同数据类型的内存变量。
对于规定2、4和7，我们可以用通用寄存器作为中转来达到最终目的。表5.1列举一个可行的解决方案，尽供参考。读者可考虑用其它办法来完成同样的功能。
表5.1 MOV指令的变通方法
|
功能描述 |
不正确的指令 |
可选的解决方法 |
|
把DS的值传送给ES |
MOV ES, DS |
MOV AX, DS |
|
把100H传给DS |
MOV DS, 100H |
MOV AX, 100H |
|
把字变量VARB的值传送给字变量VARA |
MOV VARA, VARB |
MOV AX, VARB |
对于情况1：不同位数数据之间的传送问题，在80386及其以后的CPU中，增加一组新的指令——传送－填充指令，它可把位数少的源操作数传送给位数多的目的操作数，多出的部分按指令的规定进行填充。
2、传送—填充指令(Move-and-Fill Instruction)
传送—填充指令是把位数短的源操作数传送给位数长的目的操作数。指令格式如下：
MOVSX/MOVZX Reg/Mem, Reg/Mem/Imm ;80386+
其中：80386+表示80386及其之后的CPU，其它类似符号含义类同，不再说明。
指令的主要功能和限制与MOV指令类似，不同之处是：在传送时，对目的操作数的高位进行填充。根据其填充方式，又分为：符号填充和零填充。
传送—填充指令的功能如图5.2所示。
(a). MOVSX的执行效果
(b). MOVZX的执行效果
图5.2 传送—填充指令执行过程示意图
1、符号填充指令MOVSX(Move with Sign-Extend)
MOVSX的填充方式是：用源操作数的符号位来填充目的操作数的高位数据位。
2、零填充指令MOVZX(Move with Zero-Extend)
MOVZX的填充方式是：恒用0来填充目的操作数的高位数据位。
例5.1 已知：AL=87H，指令MOVSX CX, AL，MOVZX DX, AL执行后，问CX和DX的值是什么？
解：根据传送－填充指令的填充方式可知：
指令MOVSX CX, AL执行后，(CX)=0FF87H，指令MOVZX DX, AL执行后，(DX)=0087H。
从上例可看出，两条指令的源操作数完全一样，但因为它们的填充方式不同，所得到的结果而就不同。
试比较下列指令，分析它们执行结果的相同和不同之处：
MOV AX, 87H MOVSX AX, 87H MOVZX AX, 87H
3、交换指令XCHG(Exchange Instruction)
交换指令XCHG是两个寄存器，寄存器和内存变量之间内容的交换指令，两个操作数的数据类型要相同。其指令格式如下：
XCHG Reg/Mem, Reg/Mem
该指令的功能和MOV指令不同，后者是一个操作数的内容被修改，而前者是两个操作数都会发生改变。寄存器不能是段寄存器，两个操作数也不能同时为内存变量。
图5.3 XCHG指令的执行功能示意图
例5.2 已知：AX=5678H，BX=1234H，指令XCHG AX,
BX执行后，AX和BX的值是什么？
解：这是两个寄存器内容进行交换，指令执行后，有：(AX)=1234H，(BX)=5678H。
4、取有效地址指令LEA(Load Effective Address)
指令LEA是把一个内存变量的有效地址送给指定的寄存器。其指令格式如下：
LEA Reg, Mem
该指令通常用来对指针或变址寄存器BX、DI或SI等置初值之用。其功能如下图所示。
图5.4 LEA指令的功能示意图
例如：
…
BUFFER DB 100 DUP(?)
…
LEA BX, BUFFER ;把字节变量BUFFER在数据段内的偏移量送给BX
…
问题：指令“LEA BX BUFFER”和“MOV BX, OFFSET BUFFER”的执行效果是一样的吗？指令“LEA BX,[BX+200]”和“MOV BX,OFFSET [BX+200]”二者都正确吗？
1、OFFSET是将数值回送变量或标号的偏移地址值.
2.LEA是将数值回送变量或标号的有效地址值.
3.SEG, 汇编程序将回送变量或标号的段地址值.
4、LEA BX,LIST5、MOV BX,OFFSET LIST6、可以看出，LEA和OFFSET这两条指令在功能上是相同的，BX寄存器都可得到符号地址LIST的值，而且此时MOV指令的执行速度会比LEA指令更快。但是，OFFSET只能与简单的符号地址相连，而不能和诸如LIST[SI]或[SI]等复杂操作数相连。因此，LEA指令在取得访问变量的工具方面是很有用的。
5、取段寄存器指令(Load Segment Instruction)
该组指令的功能是把内存单元的一个“低字”传送给指令中指定的16位寄存器，把随后的一个“高字”传给相应的段寄存器(DS、ES、FS、GS和SS)。其指令格式如下：
LDS/LES/LFS/LGS/LSS Reg, Mem
指令LDS(Load Data Segment Register)和LES(Load Extra Segment Register)在8086CPU中就存在，而LFS和LGS(Load Extra Segment Register)、LSS(Load Stack Segment Register)是80386及其以后CPU中才有的指令。
若Reg是16位寄存器，那么，Men必须是32位指针；若Reg是32位寄存器，那么，Men必须是48位指针，其低32位给指令中指定的寄存器，高16位给指令中的段寄存器。指令的执行结果如图5.5所示。
(a) 32位指针
(b) 48位指针
图5.5、LDS指令的执行步骤示意图
例如：
…
POINTER DD 12345678H
…
LDS BX, POINTER
…
指令的执行结果如图5.5所示。各寄存器的内容分别为：(BX)=5678H，(DS)=1234H。
下面控件是学习和掌握MOV、MOVSX/MOVZX、XCHG、LEA、LDS/LES/LFS/LGS/LSS指令的，它可检查用户输入这些指令的合法性，并对合法的指令显示其执行的结果。
注意：如果指令中含有表示内存单元的寻址方式，那么其控件中的"内存单元的类型"即表示该指令中内存单元的数据类型。
6、堆栈操作指令(Stack Operation Instruction)
堆栈是一个重要的数据结构，它具有“先进后出”的特点，通常用来保存程序的返回地址。它主要有两大类操作：进栈操作和出栈操作。
1)、进栈操作
a、PUSH(Push Word or Doubleword onto Stack)
指令格式： PUSH Reg/Mem
PUSH Imm ;80286+
-
-
-
一个字进栈，系统自动完成两步操作：SP←SP-2，(SP)←操作数；
-
一个双字进栈，系统自动完成两步操作：ESP←ESP-4，(ESP)←操作数。
-
-
b、PUSHA(Push All General Registers)
指令格式：PUSHA ;80286+
其功能是依次把寄存器AX、CX、DX、BX、SP、BP、SI和DI等压栈。
c、PUSHAD(Push All 32-bit General
Registers)
指令格式：PUSHAD ;80386+
其功能是把寄存器EAX、ECX、EDX、EBX、ESP、EBP、ESI和EDI等压栈。
2)、出栈操作
a、POP(Pop Word or Doubleword off Stack)
指令格式：POP Reg/Mem
-
-
-
弹出一个字，系统自动完成两步操作：操作数←(SP)，SP←SP-2；
-
弹出一个双字，系统自动完成两步操作：操作数←(ESP)，ESP←ESP-4。
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b、POPA(Pop All General Registers)
指令格式：POPA ;80286+
其功能是依次把寄存器DI、SI、BP、SP、BX、DX、CX和AX等弹出栈。其实，程序员不用记住它们的具体顺序，只要与指令PUSHA对称使用就可以了。
c、POPAD(Pop All 32-bit General Registers)
指令格式：POPAD ;80386+
其功能是依次把寄存器EDI、ESI、EBP、ESP、EBX、EDX、ECX和EAX等弹出栈，它与PUSHAD对称使用即可。
7、转换指令XLAT(Translate Instruction)
转换指令有两个隐含操作数BX和AL。指令格式如下：
XLAT/XLATB
其功能是把BX的值作为内存字节数组首地址、下标为AL的数组元素的值传送给AL。其功能描述的表达式是：AL←BX[AL]，其功能示意图如图5.6所示。
图5.6 XLAT/XLATB指令的功能示意图
8、I/O指令
有关I/O指令将在第8.1.2节——I/O指令——中介绍，在此从略。