【笔记】指令系统（一）

一、机器指令

  每一条机器语言的语句称为机器指令，而又将全部机器指令的集合称为机器的指令系统。

1.指令的一般格式

  指令是由操作码和地址码两部分组成的。

操作码

  操作码用来指明该指令索要完成的操作，如加法、减法、传送、移位、转移等。通常，其位数反映了机器的操作种类，也即机器允许的指令条数。
  操作码的长度可以是固定的，也可以是变化的。前者将操作码集中放在指令字的一个字段内，如图所示。这种格式便于硬件设计，指令译码时间段，广泛用于字长较长的、大中型计算机和超级小型计算机以及RISC中。

  对于操作码长度不固定的指令，其操作码分散在指令字的不同字段中。这种格式可有效地压缩操作码的平均长度，在字长较短的微型计算机中被广泛采用。
  通常采用扩展操作码技术，使操作码的长度随地址数的减少而增加，不同地址数的指令可以具有不同长度的操作码，从而在满足需要的前提下，有效地缩短指令字长。

  在设计操作码不固定的指令系统时，应尽量考虑安排指令使用频度（即指令在程序中出现的概率）高的指令占用短的操作码，对使用频度低的指令可 占用较长的操作码，这样可以缩短经常使用的指令的译码时间。

地址码

  地址码用来指出该指令的源操作数的地址（一个或两个）、结果的地址以及下一条指令的地址。这里的“地址”可以是主存的地址，也可以是寄存器的地址，甚至可以是I/O设备的地址。

  （1）四地址指令

其中，OP为操作码； A1 A 1 为第一操作数地址； A2 A 2 为第二操作数地址； A3 A 3 为结果地址； A4 A 4 为下一条指令的地址。
  如果地址字段均指示主存的地址，则完成一条四地址指令，共需访问4次存储器（取指令一次，取两个操作数两次，存放结果一次）。

  （2）三地址指令

  因为程序中大多数指令是按顺序执行的，而程序计数器PC既能存放当前欲执行指令的地址，又有计数功能，因此它能自动形成下一条指令的地址。这样，指令字中的第四地址字段 A4 A 4 便可省去，即得三地址指令格式。
  它可完成 (A1)OP(A2)→A3 ( A 1 ) O P ( A 2 ) → A 3 的操作后，后续指令的地址隐含在程序计数器PC之中。三地址指令操作数的直接寻址范围可达 28=256 2 8 = 256 。同理，若地址字段均为主存地址，则完成一条三地址指令也需访问4次存储器。

  （3）二地址指令

  机器在运行过程中，没有必要将每次运算结果都存入主存，中间结果可以暂存在CPU的寄存器（如ACC）中，这样又可省去一个地址字段 A3 A 3 ，从而得出二地址指令。
  它可完成 (A1)OP(A2)→A1 ( A 1 ) O P ( A 2 ) → A 1 的操作，即 A1 A 1 字段既代表源操作数的地址，又代表存放本次运算结果的地址。有的机器也可以表示 (A1)OP(A2)→A2 ( A 1 ) O P ( A 2 ) → A 2 的操作，此时 A2 A 2 除了代表源操作数的地址外，还代表中间结果的存放地址。这两种情况完成一条指令仍需访问4次存储器。如果使其完成 (A1)OP(A2)→ACC ( A 1 ) O P ( A 2 ) → A C C ，此时，它完成一条指令只需3次访存，它的含义是中间结果暂存于累加器ACC中。二地址指令操作数的直接寻址范围为 212=4K 2 12 = 4 K 。

  （4）一地址指令

  如果将一个操作数的地址隐含在运算器的ACC中，则指令字中只需给出一个地址码，构成一地址指令。
  它可完成 (ACC)OP(A1)→ACC ( A C C ) O P ( A 1 ) → A C C 的操作，ACC既存放参与运算的操作数，又存放运算的中间结果，这样完成一条一地址指令只需两次访存。一地址指令操作数的直接寻址范围达 224 2 24 ，即16M。

  （5）零地址指令
  零地址指令在指令字中无地址码，例如，空操作（NOP）、停机（HLT）这类指令只有操作码。而子程序返回（RET）、中断返回（IRET）这类指令没有地址码，其操作数的地址隐含在堆栈指针SP中。
  用一些硬件资源（如PC、ACC）承担指令字中需指明的地址码，可在不改变指令字长的前提下，扩大指令操作数的直接寻址范围。此外，用PC、ACC等硬件代替指令字中的某些地址字段，还可缩短指令字长，并可减少访存次数。
  地址字段表示寄存器时，也可有三地址、二地址、一地址之分。它们的共同点是，在指令的执行阶段都不必访问存储器，直接访问寄存器，使机器运行速度得到提高（因为寄存器类型的指令只需在取值阶段访问一次存储器）。

2.指令字长

  指令字长取决于操作码的长度、操作数地址的长度和操作数地址的个数。
  为了提高指令的运行速度和节省存储空间，通常尽可能把常用的指令（如数据传送指令、算逻运算指令等）设计成单字长或短字长格式的指令。通常指令字长取8的整数倍。

二、操作类型

1.操作数类型

  机器中常见的操作数类型有地址、数字、字符、逻辑数据等。

2.操作类型

数据传送

  数据传送包括寄存器与寄存器、寄存器与存储单元、存储单元与存储单元之间的传送。

算术逻辑操作

  这类操作可实现算术运算和逻辑运算。有些机器还具有位操作功能，如位测试（测试指定位的值）、位清除（清除指定位）、位求反（对指定位求反）等。

移位

  移位可分为算数移位、逻辑移位、循环移位三种。

转移

  转移指令按其转移特征又可分为无条件转移、条件转移、跳转、过程调用与返回、陷阱等几种。
  （1）无条件转移
  无条件转移不受任何条件约束，可直接把程序转移到下一条需执行指令的地址。
  （2）条件转移
  条件转移是根据当前指令的执行结果来决定是否需要转移。若条件满足，则转移；若条件不满足，则继续按顺序执行。
  还有一种条件转移指令，SKP，它暗示其下一条指令将被跳过，从而隐含恶劣转移地址是SKP后的第二条指令。

  （3）调用与返回
  通常调用指令包括过程调用、系统调用、子程序调用。它可实现从一个程序转移到另一个程序的操作。
  调用指令（CALL）一般与返回指令（RETURN）配合使用。CALL用于从当前的程序位置转至子程序的入口；RETURN用于子程序执行后重新返回到原程序的断点。
  需注意以下三点：

• 子程序可在多处被调用
• 子程序调用可出现在子程序中，即允许子程序嵌套。
• 每个CALL指令都对应一条RETURN指令。

  返回地址可存放在以下3处：

• 寄存器内。机器内设有专用寄存器，专门用于存放返回地址。
• 子程序的入口地址内。
• 栈顶内。现代计算机都设有堆栈，执行RETURN指令后，便可自动从栈顶内取出应返回的地址。

  （4）陷阱与陷阱指令
  陷阱其实是一种意外事故的中断。一旦出现意外故障，计算机就发出陷阱信号，暂停当前程序的执行，转入故障处理程序进行相应的故障处理。
  计算机的陷阱指令一般不提供给用户直接使用，而作为隐指令（即指令系统中不提供的指令），在出现意外故障时，由CPU自动产生并执行。也有的机器设置供用户使用的陷阱指令或“访管”指令，利用它完成系统调用和程序请求。

  （5）输入输出
  通常设有输入输出指令，它完成从外设中的寄存器读入一个数据到CPU的寄存器内，或将数据从CPU的寄存器输出至某外设的寄存器中。

  （6）其他
  包括等待指令、停机指令、空操作指令、开中断指令、关中断指令、置条件码指令等。
  在多用户、多任务的计算机系统中，还设有特权指令，这类指令只用用于操作系统或其他系统软件，用户是不能使用的。在有些大型或巨型机中，还设有向量指令，可对整个向量或矩阵进行求和、求积运算。