指令系统

一、指令格式

1、指令格式概述

1）操作码、地址码

操作码（OP）：指明了"做什么"

地址码（A）：指明了"对谁动手"

有的指令不需要地址码（停机）

2）指令的定义

指令（机器指令）：是指示计算机执行某种操作的命令，是计算机运行的最小功能单位。

一台计算机的所有指令的集合构成该机的指令系统，也称为指令集。

2、指令格式的分类

1）地址码数目

1. 零地址指令

零地址指令：OP

不需要操作数，如空操作、停机、关中断等指令

堆栈计算机，两个操作数隐含存放在栈顶和次栈顶，计算结果压回栈顶

2. 一地址指令

一地址指令：OP + $A_1$

1、只需要单操作数，如加1、减1、取反、求补等

指令含义：OP（$A_1$） -> $A_1$

完成一条指令需要3次访存：取指 => 读$A_1$ => 写$A_1$

2、需要两个操作数，但其中一个操作数隐含在某个寄存器（如隐含在ACC）

指令含义：（ACC）OP（$A_1$） -> ACC

完成一条指令需要2次访存：取指 => 读$A_1$

3. 二地址指令

二地址指令：OP + $A_1$(目的操作数) + $A_2$(源操作数)

常用于需要两个操作数的算术运算、逻辑运算相关指令

指令含义：（$A_1$）OP（$A_2$） -> $A_1$

完成一条指令需要访存4次，取指 => 读$A_1$ => 读$A_2$ => 写$A_1$

4. 三地址指令

三地址指令：OP + $A_1$(目的操作数) + $A_2$(源操作数) + $A_3$(结果)

常用于需要两个操作数的算术运算、逻辑运算相关指令

指令含义：（$A_1$）OP（$A_2$） -> $A_3$

完成一条指令需要访存4次，取指 => 读$A_1$ => 读$A_2$ => 写$A_3$

5. 四地址指令

四地址指令：OP + $A_1$(目的操作数) + $A_2$(源操作数) + $A_3$(结果) + $A_4$(下一个指令的地址)

指令含义：（$A_1$）OP（$A_2$） -> $A_3$

$A_4$：下一条将要执行指令的地址

完成一条指令需要访存4次，取指 => 读$A_1$ => 读$A_2$ => 写$A_3$

正常情况下：取指令之后 PC+1，指向下一条指令

四地址指令：执行指令后，将PC的值修改为$A_4$所指地址

2）指令长度

指令字长：一条指令的总长度（可能会变）=> 半字长指令、单字长指令、双字长指令 => 指令字长会影响取指令所需时间

机器字长：CPU进行一次整数运算所能处理的二进制数据的位数（通常和ALU直接相关）

存储字长：一个存储单元中的二讲制代码位数(通常和MDR位数相同)

定长指令字结构：指令系统内所有指令的长度都相等

变长指令字结构：指令系统内所有指令的长度都不等

3）操作码的长度

定长操作码：指令系统中所有指令的操作码长度都相同

可变长操作码：指令系统中各指令的操作码长度可变

4）操作类型

1. 数据传送类

LOAD：把存储器中的数据放到寄存器中

STORE：把寄存器中的数据放到存储器中

2. 运算类

1. 算术逻辑操作
2. 移位操作
3. 转移操作
   1. 无条件转移 JMP
   2. 条件转移jZ：结果为0
   3. J0：结果溢出
   4. JC：结果有进位
   5. 调用和返回 CALL和RETURN
   6. 陷阱Trap与陷阱指令

3. 输入输出类

CPU寄存器与IO端口之间的数据传送（端口即IO接口中的寄存器）

二、扩展操作码指令格式

扩展操作码 = 定长指令字结构 + 可变长操作码

1. 不允许短码是长码的前缀，即短操作码不能与长操作码的前面部分的代码相同。
2. 各指令的操作码一定不能重复

设地址长度为n，上一层留出m种状态，下一层可扩展出 $m*2^n$ 种状态

三、指令寻址

程序计数器PC：指明下一条条指令的存放地址

指令寻址：下一条欲执行指令的地址（始终由程序计数器PC给出）

1、顺序寻址

(PC) + "1" -> PC

2、跳跃寻址

指令修改PC的值

JMP 7：无条件转移，把PC中的内容改成7

四、数据寻址

数据寻址：确定本条指令的地址码指明的真实地址

求出操作数的真实地址，称为有效地址（EA）。

1、直接寻址

直接寻址：指令字中的形式地址A就是操作数的真实地址EA，即EA=A

一条指令的执行：取指令访存1次，执行指令访存1次，暂不考虑存结果，共访存2次

优点：简单，指令执行阶段仅访问一次主存，不需专门计算操作数的地址。

缺点：A的位数决定了该指令操作数的寻址范围，操作数的地址不易修改。

2、间接寻址

间接寻址：指令的地址字段给出的形式地址不是操作数的真正地址，而是操作数有效地址所在的存储单元的地址，也就是操作数地址的地 址，即EA = (A)

一条指令的执行：取指令访存1次，执行指令访存2次，暂不考虑存结果，共访存3次

优点：可扩大寻址范围（有效地址EA的位数大于形式地址A的位数），便于编制程序（用间接寻址可以方便地完成子程序返回）

缺点：指令在执行阶段要多次访存（一次间址需两次访存，多次导址需根据存储字的最高位确定几次访存）

3、寄存器寻址

寄存器寻址：在指令字中直接给出操作数所在的寄存器编号，即 $EA=R_i$，其操作数在由指所指的寄存器内

一条指令的执行：取指令访存1次，执行指令访存0次，暂不考虑存结果，共访存1次

优点：指令在执行阶段不访问主存，只访问寄存器，指令字短且执行速度快，支持向量/矩阵运算

缺点：寄存器价格昂贵，计算机中寄存器个数有限

4、寄存器间接寻址

寄存器间接寻址：寄存器R中给出的不是一个操作数，而是操作数所在主存单元的地址，即$EA=(R_i)$

一条指令的执行：取指令访存1次，执行指令访存1次，暂不考虑存结果，共访存2次

特点：与一般间接寻址相比速度更快，但指令的执行阶段需要访问主存（因为操作数在主存中）

5、隐含寻址

隐含寻址：不是明显地给出操作数的地址，而是在指令中隐含着操作数的地址

优点：有利于缩短指令字长

缺点：需增加存储操作数或隐含地址的硬件

6、立即寻址

立即寻址：形式地址A就是操作数本身，又称为立即数，一般采用补码形式。#表示立即寻址特征。

一条指令的执行：取指令访存1次，执行指令访存0次，暂不考虑存结果，共访存1次

优点：指令执行阶段不访问主存，指令执行时间最短

缺点：A的位数限制了立即数的范围。如A的位数为n，且立即数采用补码时，可表示的数据范围为$-2^{n-1}$ ~ $2^{n-1}-1$

7、基址寻址

基址寻址：将CPU中基址寄在器（BR）的内容加上指令格式中的形式地址A，形成操作数的有效地址，即$EA=(BR)+A$

操作系统中的"重定位奇存器"就是"基址寄存器"

1. 专门的基址寄存器BR
2. 在指令中指明，要将哪个通用寄存器作为基址寄存器

优点：便于程序"浮动"，方便实现多道程序并发运行。可扩大寻址范围。有利于多道程序设计，可用于编制浮动程序

基址寄存器是面向操作系统的，其内容由操作系统或管理程序确定。在程序执行过程中，基址寄存器的内容不变（基地址），形式地址可变（偏移量）

当采用通用寄存器作为基址寄存器时，可由用户决定哪个寄存器作为基址寄存器，但其内容仍由操作系统确定。

8、变址寻址

变址寻址：有效地址EA等于指令字中的形式地址A与变址寄存器IX的内容相加之和，即$EA=(IX)+A$。其中EX为变址寄存器（专用），也可用通用寄存器作为变址寄存器。

变址寄存器是面向用户的：在程序执行过程中，变址寄存器IX的内容可由用户改变（偏移量），形式地址A不变（基地址）

优点：在数组处理过程中，可设定A为数组的首地址，不断改变变址寄存器IX的内容，便可很容易形成数组中任一数据的地址，特别适合编制循环程序

先基址后变址寻址：$EA=(IX)+((BR)+A)$

9、相对寻址

相对寻址：把程序计数器PC的内容加上指令格式中的形式地址A而形成操作数的有效地址，$EA=(PC)+A$，其中A是相对于PC所指地址的位移量，可正可负，补码表示。

优点：操作数的地址不是固定的，它随着PC值的变化而变化，并且与指令地址之间总是相差一个固定值，因此便于程序浮动（一段代码在程序内部的浮动）。相对寻址广泛应用于转移指令。

ACC加法指令的地址码，可采用"分段"方式解决，即程序段、数据段分开

10、堆栈寻址

堆栈寻址：操作数存放在堆栈中，隐含使用堆栈指针（SP）作为操作数地址

堆栈是存储器（或专用寄存器组）中一块特定的按栈管理的存储区，该存储区中被读/写单元的地址是用一个特定的寄存器给出的，该寄存器称为堆栈指针（SP）

五、CISC和RISC

CISC：一条指令完成一个复杂的基本功能

RISC：一条指令完成一个基本"动作"，多条指令组合完成一个复杂的基本功能

80-20规律：典型程序中80%的语句仅仅使用处理机中20%的指令