计算机组成原理 指令系统（一）

本文主要介绍指令的基本格式以及寻址方式：

 

指令其实就是一组有特殊意义的二进制数，指示计算机执行某种操作的命令，也叫机器字或指令字，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。指令系统是计算机的主要属性，位于硬件和软件的交界面上。

指令字长度：一个指令包含的二进制数的位数

机器字长：计算机能直接处理的二进制数的位数，通常与主存单元的位数一致

①指令字长度 = 机器字长度 称为单字长指令

②指令字长度 = 0.5 × 机器字长 称为半字长指令

③指令字长度 = 2 × 机器字长 称为双字长指令

 

一、基本格式：

一条指令通常包括操作码和地址码两部分

操作码（OP）指出执行什么操作，如加减乘除、存数、取数等。CPU中有专门电路来解释操作码，从而执行相应的操作。3位操作码最多可表示8条不同的指令

地址码（A）给出数据或者指令的地址

根据指令中操作数地址码的数目的不同，可将指令分为以下几种：

1.零地址指令：

只有操作数，没有地址码，这种指令有两种可能：

①不需要操作数，如停机指令

②零地址的运算类指令仅用在堆栈计算机中，通常参与运算的两个操作数隐含地从栈顶和次栈顶弹出，送到运算器进行运算，运算结果再隐含地压入到堆栈中

2.一地址指令：

只有一个地址码，有两种可能：

①单操作数指令，如自增1.自减1，求反，求补等

OP(A1) -> (A1)

②另一个操作数的地址是隐含的，可约定由ACC（累加器）提供

（ACC）OP(A1) -> ACC

若指令字长为32位，操作码占8位，地址码占24位，则该指令操作数的直接寻址范围为：

3.二地址指令：

A1给出目的操作数的地址，A2给出源操作数的地址

(A1)OP(A2) -> A1

若指令字长为32位，操作码占8位，2个地址码各占12位，则该指令操作数的直接寻址范围为：

4.三地址指令：

A1给出目的操作数的地址，A2给出源操作数的地址，A3存放操作结果

(A1)OP(A2) -> (A3)

若指令字长为32位，操作码占8位，3个地址码各占8位，则该指令操作数的直接寻址范围为：

5.四地址指令：

A1给出目的操作数的地址，A2给出源操作数的地址，A3存放操作结果，A4给出下一条将要执行的指令的地址

(A1)OP(A2) -> (A3)

若指令字长为32位，操作码占8位，4个地址码各占6位，则该指令操作数的直接寻址范围为：

 

二、寻址方式：

寻址方式就是寻址指令或操作数有效地址的方式，也就是确定数据地址以及下一条将要执行的指令的地址。因此寻址方式分为指令寻址和数据寻址

指令寻址

就是找下一条要执行的指令的地址

1.顺序寻址

在内存中按顺序取指令，然后一条一条执行，由程序计数器（PC）来记录顺序

2.跳跃寻址

跳跃就是本条指令给出下条指令地址的计算方式，是否跳跃可能受状态寄存器和操作数的控制，跳跃的结果是当前指令修改PC值，下一条指令仍然是通过程序计数器PC给出

数据寻址

就是找这个指令的操作数的地址

1.隐含寻址

操作数地址隐含在操作码中，如累加寄存器（AC）

2.立即寻址

操作数就在指令中，取指令的时候就已经拿到了操作数

 

3.直接寻址

指令中给出操作数的地址，然后到内存中取操作数

4.间接寻址

指令中给出操作数的寻址特征位，再根据这个特征位到内存中取操作数

5.寄存器寻址

指令给出操作数的地址，然后到寄存器中取操作数

 

6.寄存器间接寻址

指令给出寄存器的地址，然后到寄存器中拿到操作数的地址，然后到内存中取操作数

7.偏移寻址

①相对寻址

把当前指令的地址存在在PC中，然后用形式地址+PC得到有效地址

②基址寻址

在CPU中用一个寄存器来存储一部分地址，然后再加上指令中的形式地址得到有效地址

③变址寻址

在CPU中用一个寄存器来存储一部分地址（这个地址是变动的），然后再加上指令中的形式地址得到有效地址，如遍历数组，数组下标就可以存储在变址中

8.堆栈寻址

将数据以栈的形式存储在内存或寄存器中，进栈出栈都只在栈顶操作

寄存器堆栈称为硬堆栈，主存中划分出来的堆栈称为软堆栈

 

寻址方式	有效地址	访存次数
隐含寻址	程序指定	0
立即寻址	A即是操作数	0
直接寻址	EA=A	1
一次间接寻址	EA=(A)	2
寄存器寻址	EA=Ri	0
寄存器间接一次寻址	EA=(Ri)	1
相对寻址	EA=(PC)+A	1
基址寻址	EA=(BR)+A	1
变址寻址	EA=(IX)+A	1

 

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