计算机组成原理---指令系统

指令（机器指令）是指示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。一台计算机的所有指令的集合构成该机的指令系统，也称指令集。指令系统是计算机的主要属性，位于硬件和软件的交互面上。

一条指令就是机器语言的一个语句，它是一组有意义的二进制代码。一条指令通常包括操作码字段和地址码字段两部分。其中，操作码指出指令中该指令应该执行什么性质操作和具体何种功能；地址码用于给出被操作的信息地址。

指令的长度是指一条指令中所包含的二进制代码的位数。指令的字长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。

在一个指令系统中，若所有指令的长度都是相等的，称为定长指令字结构；若指令的长度随功能而异，称为变长指令字结构；因为主存一般按字节编址，所以指令长多为字节的整数倍。

根据指令中的操作数地址码的数目不同，可将指令分为：零地址指令，一地址指令，二地址指令，三地址指令，四地址指令。

定长操作码指令格式：定长操作码指令是在指令的最高位部分分配固定的若干位（定长）表示操作码。定长操作码对于简化计算机硬件设计，提高指令译码和识别速度很有利。

扩展操作码指令格式：为了在指令字长有限的前提下仍保持比较丰富的指令种类，可采取可变长度操作码，即全部指令的操作码字段位数不固定，且分散在指令的不同位置上。显然，这将增加指令译码和分析的难度，使控制器设计复杂化。在设计扩展码需要注意：

• 不允许短码是长码的前缀；
• 各指令的操作码一定不能重复。

寻址方式是指寻找指令或操作数有效地址的方式，也就是确定本条指令的数据地址，以及下一条将要执行的指令地址的方法。寻址方式分为指令寻址和数据寻址两大类。指令中的地址码字段并不代表操作数真实地址，称形式地址（A）。

指令寻址有两种：顺序寻址：通过程序计数器PC加1，自动形成下一条指令的地址；跳跃寻址：下一条指令的地址码不是由程序计数器给出，而是由本条指令给出下条指令地址的计算方式，跳跃的结果是当前指令修改PC值，所以下一条指令仍然是通过程序计数器PC给出。

数据寻址：操作码+寻址特征+形式地址

• 隐含寻址：不是明显给出操作数地址，而是在指令中隐含着操作数地址；
• 立即寻址：指令的地址字段指出的不是操作数地址，而是操作数本身，
• 直接寻址：指令中形式地址就是操作数的真实地址；
• 间接寻址：指令的地址字段给出的是操作数地址的地址；
• 寄存器寻址：指令字中直接给出操作数所在的寄存器的编号；
• 寄存器间接寻址：寄存器给出操作数所在主存单元地址；
• 相对寻址：把程序计数器PC内容加上形式地址而形成操作数有效地址；
• 基址寻址：将CPU中的基址寄存器（BR）的内容加上指令格式中的形式地址得到有效地址，基址寄存器是面向操作系统的，其内容由操作系统或管理程序确定；
• 变址寻址：有效地址等于指令中形式地址与变址寄存器（IX）的内容之和，变址寄存器是面向用户的，在程序执行过程中，变址寄存器的内容可由用户改变（作为偏移量），形式地址不变（作为基地址）；
• 堆栈寻址：堆栈是存储器或专用寄存器组中一块特定的按“后进先出”原则管理的存储区，该存储区中被读/写单元的地址使用一个特定的寄存器给出，该寄存器称为堆栈指针（SP），寄存器堆栈又称为硬堆栈，主存区域堆栈又称为软堆栈。

指令系统的发展朝向两种截然不同的方向发展，一是增强原有指令功能，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计算机（CISC）；另一种是减少指令种类和简化指令功能，提高指令执行速度，这类机器称为精简指令计算机（RISC）。

CISC的主要特点有：指令系统复杂庞大，指令数目一般为200条以上；指令长度不固定，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，大多数指令需要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。

RISC的中心思想是要求指令系统简化，尽量使用寄存器－寄存器操作指令，指令格式力求一致，主要特点有：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指令访存，其余指令的操作都是在寄存器之间进行；CPU中通用寄存器数量相当多；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；绝大多数为组合逻辑控制，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。