计组-08-指令系统

计算机组成原理-08-指令系统

前言

1. 什么是指令？
   • 指令（机器指令）是计算机执行某种操作的命令，是计算机最小的功能单位
   • 一台计算机上的所有指令的集合叫做指令集

1. 指令的格式

一条指令分为两个字段

• 操作码（OP）: 指出指令应该执行什么性质的操作
• 地址码（A）： 被操作信息或者数据的地址

1.1 定长指令字

1.1.1 四地址指令

• 若指令字长位32位，操作码占8位，4个地址码各占6位
• 操作数指令寻址范围是2^6 = 64

1.1.2 三地址指令

• 利用程序计数器自动+1 (进行地址改变)
• 若指令字长32位，操作码占8位，3个地址码字段各占8位
• 寻址范围：2^8 = 256

1.1.3 二地址指令

• 寻址范围 ： 2 ^12 = 4K
• 对于常用的算数和逻辑计算指令：常常会用到两个操作数

1.1.4 一地址指令

• 寻址范围 ： 2^24 = 16M
• 常用于+1，-1，求补等操作

上述小结：

• 

1.1.5 零地址指令

• 不需要操作数，如空操作，停机，关中断
• 使用堆栈操作的，两个操作数隐含在栈顶和次栈顶，计算结果压回栈顶

与定长指令字相对的有：变长指令字，这里不再详细描述

1.2 操作码的设计

操作码同样也分为

• 定长操作码 ： n 位 -> 2^n 条指令
• 变长操作码 ： 操作码长度可变

定长操作码：

• 简化了硬件的设计，提高指令译码和识别的速度，当计算机字长为32位甚至更长的时候，这是最常用的方法

扩展操作码：

• 在指令字长有限的情况下仍然保持比较丰富的指令种类
• 即：全部指令的操作码的字段位数不固定，且分散的放在指令字的不同位置上

• 在设计扩展操作码指令格式时
  • 不允许短码是长码的前缀
  • 各指令的操作码一定不能重复

2. 指令的寻址方式

2.1 数据存储的方式

• 首先回顾一下数据的存储方式
  • 大端存储 : 高地址数据放在存储低位
  • 小端存储 ：低地址数据放在存储高位
• 编址又分为：
  • 按字编址
  • 按字节编址

2.2 寻址方式

• 寻址方式分为：
  • 指令寻址：寻找下一条将要执行的指令地址
  • 数据寻址：寻找操作数的地址

2.2.1 指令寻址

指令寻址：使用PC程序计数器来实现

1. 顺序寻址：通过程序计数器（PC = PC + 1） 实现
2. 跳跃寻址：通过转移类指令实现（本质还是由当前的指令修改PC的值，使得下一条指令仍然通过PC给出）

2.2.2 数据寻址

• 数据寻址是指令中表示一个操作数的地址
• 操作数的类型 ： 用寻址特征来表示
  • 地址 ： 无符号数
  • 数字 ： 定点浮点数，BCD码
  • 字符 ： ASCII
  • 逻辑运算
• 具体的数据寻址分类如下所示：

注意：在接下来的讨论中

• EA ： 表示真实地址
• A ： 表示形式地址

1. 立即寻址

• 地址字段不是操作数的地址，而是操作数本身
• 缺点是：位数限制了立即数的范围

2. 直接寻址

• 形式地址A就是操作数的真实地址EA
• EA = A

3. 间接寻址

• 操作数的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）
• 优点：扩大了寻址范围，方便程序调用的返回
• 缺点：多次访问主存

4. 寄存器寻址

• 操作数放在寄存器中，类似直接寻址
• EA = R

5. 寄存器间接寻址

• 类似于间接寻址，只不过把主存换成了寄存器
• 寄存器给出的不是一个操作数，而是主存中的地址

6. 隐含寻址

• 只给出一个操作数的地址，不明显的在地址中指出第二条操作数的地址
• 比如使用（ACC）作为第二操作数的地址

上述小结：

接下来介绍三种偏移寻址方式：特点是需要进行运算

1. 基址寻址

• 基址寄存器是面向操作系统的，基址寄存器的内容不变，形式地址可变
• 优点：
  • 可以扩大寻址的范围
  • 利用全局程序的浮动
• 与直接寻址的对比：不用查主存的状态，操作系统就能判断内存的状态

2. 变址寻址

• 变址寻址 ： 是面向用户的，寄存器的内容用户可以改变，但是形式地址A不可改变
• 特别适合编址循环的程序，适合处理数组
• 变址寻址 ：实现程序内的浮动，可与其他寻址配合使用

3. 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
• EA = (PC) + A
• 其中 A 是偏移量，A 用补码表示 ，可正可负
• 适合程序内部的浮动

3. CISC 和 RISC

1. CISC

• 复杂指令系统的计算机
• 典型的架构是X86

2. RISC

• 精简指令集
• 典型的架构是ARM

小结：

4. 本章小结