4.1 指令系统概述

1. 指令系统的发展

指令是计算机硬件能够识别并直接执行操作的命令，一台计算机中所有指令的集合构成了该机的指令系统。指令系统是表征计算机性能的重要因素，其格式与功能不仅直接影响到机器的硬件结构，也直接影响到系统软件，影响到机器的适用范围。因此，设计一个合理有效、功能齐全、通用性强、丰富的指令系统是至关重要的。

从计算机组成的层次结构来说，计算机的指令分为微指令、机器指令和宏指令三类。微指令是微程序级的命令，属于硬件；宏指令是由若干条机器指令组成的软件指令，属于软件；机器指令，也就是我们通常所说的指令，介于微指令与宏指令之间，每条指令可完成一个独立的算术运算或逻辑运算操作。

回顾计算机的发展历史，指令系统的发展经历了从简单到复杂的演变过程。早在20世纪50至60年代，计算机大多采用分立元件的晶体管或电子管组成，体积庞大，价格昂贵，因此计算机的硬件结构比较简单，所支持的指令系统只有十几至几十条最基本的指令，而且寻址方式简单。到20世纪60年代中期，随着集成电路的出现，计算机的功耗、体积、价格等不断下降，硬件功能不断增强，其指令系统也越来越丰富。20世纪60年代后期，基本指令系统相同、基本体系结构相同的系列计算机开始出现，从而解决了各机种的软件兼容问题，其必要条件是同一系列的各机种具有共同的指令集，而且新推出的机种其指令系统一定包含旧机种的全部指令。

在20世纪70年代，高级语言已成为大、中、小型机的主要程序设计语言，计算机应用日益普及。计算机的设计者利用当时已经成熟的微程序技术和飞速发展的VLSI技术，增设了各种各样复杂的、面向高级语言的指令，使指令系统越来越庞大，按这种方法设计的计算机系统称为复杂指令系统计算机（Complex Instruction Set Computer），简称CISC。如此庞大的指令系统不仅使计算机的研制开发周期变长，正确性难以保证，调试维护困难，而且大量使用频率很低的复杂指令造成了硬件资源的浪费。为此，人们又提出了便于采用VLSI技术实现的精简指令系统计算机（Reduced Instruction Set Computer），简称RISC，这是一种新型的计算机体系结构设计思想，其主要特点是：选取使用频率最高的一些简单指令，指令条数少；指令长度固定，指令格式种类少，寻址方式种类少；只有取数/存数指令访问存储器，其余指令的操作都在寄存器之间进行。我们将在第5章中央处理器（CPU）中详细介绍RISC技术。

1. 指令系统的性能要求