计算机组成原理复习4（指令系统）

指令格式

指令是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。

1.指令的基本格式

指令包括操作码字段和地址码字段

操作码是识别指令，了解指令功能与区分操作数地址内容的组成和使用等关键信息。

指令长度指所包含的二进制代码的位数，取决于操作码的长度，操作数地址码的长度和操作数地址的个数。

单字长指令：指令长度等于机器字长

• 零地址指令：只给出操作码OP，没有显地址；如空操作指令，停机指令，关中断指令；用在堆栈计算机中
• 一地址指令：只有目的操作数的单操作数指令，按A1地址读取操作数，进行OP操作后，结果返回源地址；
• 二地址指令：（A1）OP（A2）——》A1    
• 三地址指令：（A1）OP（A2）——》A3
• 四地址指令：（A1）OP（A2）——》A3，A4=下一条将要执行指令的地址

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指令寻址方式

  寻址方式是指寻找指令或操作有效地址的方式，也就是指确定本条指令的数据地址，以及下一条将要执行的指令的方法。

1.指令寻址

• 顺序寻址可通过程序计数器PC加1（指令字长），自动形成下一条指令的地址
• 跳跃寻址通过转移类指令实现，跳跃是指下条指令的地址码不是有程序计数器给出，而是由本条指令给出下条指令地址的计算方式。

2.数据寻址

                                                                    操作码      寻址特征         形式地址A

1）隐含寻址

    不明显的给出操作数的地址，在指令中隐含着操作数的地址。如单地址的指令格式，在累加器ACC作为第二操作数地址。优点是有利于缩短指令字长，缺点是需增加存储操作数或隐含地址的硬件。

2）立即（数）寻址

     指令的地址字段指出的不是操作数的地址，而是操作数本身，又称为立即数。优点是指令在执行阶段不访问主存，指令执行时间短，缺点：A的位数限制了立即数的范围

3）直接寻址

   指令中的形式地址A就是操作数的真实地址EA；优点：简单，缺点：A的位数决定了该指令操作数的寻址范围。

4）间接寻址

   指令中的形式地址A不是操作数的真实地址，而是操作数有效地址所在的存储单元的地址。地址的地址。

   优点：可扩大寻址范围，缺点：指令在执行阶段要多次访问

5）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

优点：在指令执行期间不访问主存，只访问寄存器；缺点：价格贵

6）寄存器间接寻址

   间接寻址是在寄存器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，特点是比间接寻址速度快，但是需要访问主存。

7）相对寻址

   相对地址是把程序计数器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；优点是操作数的地址不是固定的，随PC的变化而变化。

8）基址寻址

   指CPU中基址寄存器（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，基址寄存器的内容不变，形式地址可变，面向系统。优点：扩大寻址范围，有利于多道程序设计；偏移量（形式地址A）的位数较短。

9）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，（ｉｘ）＋Ａ，面向用户，变址寄存器的内容可由用户改变，形式地址A不变；优点是可扩大寻址范围（变址寄存器的位数大于A）

１０）堆栈寻址

　堆栈是存储器中一块特定的按后进先出（LIFO）原则管理的存储区，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）

　

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CISC和RISC的基本概念

　指令系统的发展朝两种不同方向：一种增强原有指令的功能，设置更为复杂的新指令实现软件功能的硬化，这类机器称为复杂指令系统计算机（CISC），典型的有采用X８６架构的计算机；另一种是减少指令种类和简化指令功能，提高指令的执行速度这类机器称为简略指令系统计算机（RISC）典型的是ARM，MIPS架构的计算机。

１.复杂指令系统计算机CISC

　特点：

• 指令系统复杂庞大，指令数目一般为２００条以上
• 指令的长度不固定，指令格式多，寻址方式多
• 可以访存的指令不受限制
• 各种指令使用频度相差很大
• 各种指令执行时间相差很大，大多数指令需多个时钟周期才能完成。
• 控制器大多数采用微程序控制
• 难以用优化编译生成高效的目标代码程序

２.精简指令系统计算机RISC

• 选取使用频率最高的一些简单指令，复杂指令的功能由简单指令的组合来实现
• 指令长度固定，指令格式种类少，寻址方式种类少
• 只有Load／Store（取数／存数）指令访存，其余指令的操作都在寄存器之间进行
• CPU中通用寄存器数量多
• RISC一定采用指令流水线技术，大部分指令在一个时钟周期内完成
• 以硬布线控制为主，不用或少用微程序控制
• 特别重视编译优化工作，以减少程序执行时间

３.比较

• RISC更能充分的利用VLSI芯片的面积，CISC的控制器大多采用微程序控制，其控制存储器在CPU芯片内所占的面积为５０％以上而RISC控制器采用组合逻辑控制，其硬布线逻辑只占CPU芯片面积的１０％左右。
• RISC更能提高运算速度，RISC的指令数，寻址方式和指令格式种类少，又设有多个通用寄存器，采用流水线技术，所以运算速度更快，大多数指令在一个时钟周期内完成
• RISC便于设计，可降低成本，提高可靠性。RISC指令系统简单，机器周期短，逻辑简单，可靠性高
• RISC有利于编译程序代码优化。RISC指令类型少，寻址方式多，使编译程序容易选择更有效地指令和寻址方式，并适当的调整指令顺序，使得代码执行更高效化。