指令系统

指令的概念和格式

指令：指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

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

一条指令是机器语言的一个语句，是一组有意义的二进制代码，由操作码字段和地址码字段两部分组成

image-20220316185716163

按地址码长度分类：

而根据指令的不同，一条指令可能包含多个地址码，根据地址码数目的不同，可以将指令分为零地址指令，一地址指令……

  • 零地址指令
  1. 不需要操作数，如空操作，停机，关中断等指令，
  2. 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
  • 一地址指令
  1. 只需要单操作数，如加1，取反等操作
  2. 需要两个操作数，但其中一个操作数隐含在某个寄存器中（比如ACC）
  • 二，三地址指令

​ 常用于需要两个操作数的算数运算，逻辑运算等相关指令

  • 四地址指令

    常是运算之后接跳转指令

按指令长度分类

指令字长：一条指令的总长度（可改变）

机器字长：CPU进行一次正数运算所能处理的二进制数据的位数（与ALU有关）

存储字长：一个存储单元中的二进制代码位数（通常和MDR位数相同）

指令的长度会影响到取指令所需时间，可以把指令分为定长指令字结构和变长指令字结构

按操作码长度分类

可以分为定长操作码和可变长操作码

按操作类型分类

  1. 数据传送

    LOAD ：把存储器的数据放到寄存器中

    STORE ： 把寄存器的数据放到存储器中

  2. 运算

    算数运算：加减乘除，浮点运算

    逻辑运算：与或非，异或，取反

  3. 移位

    算数移位，逻辑移位，循环移位

  4. 转移

    无条件转移 JMP

    条件转移 JZ

    调用和返回 CALL 和 RETURN

    陷阱(Trap)

  5. 输入输出

    CPU寄存器和IO端口之间的数据传送

拓展操作码指令格式

有定长指令字结构+可变长操作码 →拓展操作码的指令格式

即不同地址数使用不同长度的操作码

假设指令字长为16位，每个地址码占4位，前4位为基本操作码字段OP

image-20220316195954835

三地址指令地址码占据$A_1,A_2,A_3$，而OP表示操作码，则可以表示16条，但至少保留1111留作拓展操作码用，三地址指令为15条

二地址指令地址码占据$A_2,A_3$，1111 1111留作拓展操作码使用，共15条

一地址指令地址码占据$A_3$，1111 1111 1111 留作拓展操作码使用

零地址指令共16条

扩展码有两点特点：

  1. 不允许短码是长码的前缀（哈夫曼树）

  2. 各指令的操作码不允许重复

至于根据不同地址指令拓展出适应的地址码，可以参考计算机网络的子网划分问题。

定长操作码的优点是可以简化计算机硬件设计，提高指令译码和识别速度很有利，缺点是指令数量增加会占用更多固定位，留给操作数地址的位数受限

拓展操作码可以在指令字长有限的情况下保留比较丰富的指令种类，但是增加了指令译码和分析的难度，使控制器的设计复杂化

指令寻址

寻找下一条将要执行的指令地址称为指令寻址

有两种方式

  1. 顺序寻址

    通过程序计数器PC+1，自动形成下一条指令的地址

  2. 跳跃寻址

    通过转移类指令实现，跳跃就是指下条指令的地址不由程序计数器PC自动给出，而由本条指令给出下条指令地址的计算方式。跳跃指令之后会修改PC的值

数据寻址

确定本条指令的地址码指明的真实地址

由于数据寻址的方式很多，为了区分各种方式，通常在指令字中设一个字段，来指明属于何种寻址方式

image-20220316211519385

数据寻址一共有10种方式

image-20220316211559572

直接寻址

指令中的形式地址就是操作数的真实地址EA

image-20220317193218843

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

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 EA=(A)

image-20220317193609475

优点：可扩大寻址范围，便于编址程序（跳转）

缺点：指令在执行过程中要多次访存

寄存器寻址

在指令字中直接给出寄存器的编号，$EA=R_i$，操作数存储在寄存器中

image-20220317194055642

优点：指令在执行阶段不访问主存，只访问寄存器，指令字短而且执行速度快

缺点：寄存器价格昂贵，寄存器个数有限

寄存器间接寻址

寄存器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

image-20220317194346370

优点：相比于间接访存，速度更快

隐含寻址

不是明显地给出操作数地址，而是在指令中隐含操作数的地址

image-20220317194558522

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

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，#表示立即寻址方式

优点：执行阶段不访问主存

缺点：A的位数限制了立即数的范围

基址寻址

将CPU中基址寄存器（BR）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，即EA=(BR)+A

image-20220317201400881

也可以用其他寄存器作为基址寄存器

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，形式地址可变

优点：可扩大寻址范围，有利于多道程序设计，编址浮动程序

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

image-20220317202334313

和基址寻址的区别是，变址寄存器中的地址可以被改变，而形式地址不变，即IX作为偏移量，而形式地址作为基址

在编制循环程序的时候，可以让数组的起始地址作为形式地址，IX不断增加，来处理数组

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，即EA=（PC）+A，其中A是相对于PC所指地址的偏移量，补码表示

image-20220317203643274

取出当前指令后，PC会指向下一条指令，相对寻址是相对于下一条指令的偏移量

优点：操作数的地址不是固定的，随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，广泛用于转移指令

堆栈寻址

操作数放在堆栈中，隐含使用堆栈指针SP作为操作数地址

硬堆栈使用专用的寄存器作为堆栈，而软堆栈是在主存中开辟一段地址作为堆栈使用

可用于函数调用时保存当前函数的相关信息

image-20220317215800055

CISC和RISC

CISC：Complex Instruction Set Computer 复杂指令集

主要是X86架构，主要用于笔记本，台式机等

一条指令能完成一个复杂的基本功能

RISC：Reduced Instruction Set Computer 精简指令集

主要是ARM架构，主要用于手机，平板

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

image-20220319143707720