计算机组成原理知识总结-指令系统

计算机组成原理

指令系统

4.1 机器指令

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

• 指令字长度 = 机器字长度 称为单字长指令

• 指令字长度 = 0.5 × 机器字长 称为半字长指令

• 指令字长度 = 2 × 机器字长 称为双字长指令

(1) 指令分类

• 根据层次结构：高级、汇编、机器、微指令
• 根据地址码字段个数：零、一、二、三地址指令
• 根据操作数物理位置：
  • 存储器-存储器（SS）
  • 寄存器-寄存器（RR）
  • 寄存器-存储器（RS）
• 根据指令功能：传送、算术运算、位运算、控制转移
  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：

OP

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：

OP	A1

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：2^24^ = 16M

3.二地址指令：

OP	A1	A2

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：2^12^ = 4k

4.三地址指令：

OP	A1	A2	A3

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：2^8^ = 256

5.四地址指令：

OP	A1	A2	A3	A4

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：2^6^ = 64

（2）指令格式

操作码+数据源+寻址方式

4.2 寻址方式

指令寻址方式：顺序寻址，跳跃寻址

操作数寻址方式：

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

4.3 CISC与RISC

CISC(复杂指令系统)

1. 指令多（可变长模式）
2. 使用频率差别大
3. 寻址方式多
4. 计算机没有大规模使用的时候推出的（指令、硬件都是定制的）
5. 微程序控制技术（微码）

RISC(精简指令系统)

1. 指令少
2. 使用频率接近
3. 寻址方式少
4. 针对寄存器操作
5. 只有Load/Store操作内存
6. 通用寄存器
7. 硬布线逻辑控制
8. 适合采用流水线