指令系统

指令格式
操作码字段（OP）+地址码字段（A）

操作码
表示操作性质，可扩展
一般来说，一个包含n位的操作码最多能够表示 2^n 条指令

地址码
寄存器编号+寻址方式
根据一条指令中有几个操作数地址，可将该指令称为几操作数指令或几地址指令
有零地址指令、一地址指令、二地址指令和三地址指令

1. 零地址指令：（关机指令）
   格式：OPCODE - 操作码
   指令中只有操作码，而没有地址码
2. 一地址指令：（取反）
   格式：【 OPCODE | A 】
   A：操作数的存储器地址或寄存器编号。A即可以是操作数地址，又是操作结果的存储地址
3. 二地址指令：add r1 r2
   格式：【 OPCODE | A1A1 | A2A2 】
   OPCODE – 操作码
   A1A1：第一个操作数的存储器地址或寄存器地址
   A2A2：第二个操作数的存储器地址或寄存器地址
4. 三地址指令
   指令：【 OPCODE | A1A1 | A2A2 | A3A3 】
   A1A1：第一个操作数的存储器地址或寄存器地址
   A2A2：第二个操作数的存储器地址或寄存器地址
   A3A3：操作结果的存储器地址或寄存器地址

操作码定长指令的格式

• 指令字长决定于三个部分：
  操作码长度：f
  操作数地址的长度：n
  操作地址的个数：m
• 指令字长固定
  若操作码长度为k位，则最多能有2k2k条不同指令
  指令字长 = 存储字长
• 指令字长可变
  按字节的倍数变化

典型指令

• MOV 传送
• STO 存数 ： 由CPU向存储器传送字
• LAD 取数 ： 由存储器向CPU传送字
• EXC 交换 ： 源和目标交换内容
• CLA 清零
• SET 置1
• PUS 进栈
• POP 退栈
• ADD、SUB、MUL、DIV、ABS、NEG（变负）、INC（增量，操作数加1）、DEC（减量，操作数减一）
• AND、OR、NOT、EOR（异或）、TES（测试）、COM（比较）、SHI（移位）、ROT（循环移）
• JMP、JMPX（条件转移）、JMPC（转子）、RET（返回）

题目中描述的计算机，其部分指令执行过程的控制信号如下图所示。

题图a 部分指令控制信号
该机指令格式如下图所示，支持寄存器直接和寄存器间接两种寻址方式，寻址方式位分别为0 和 1，寄存器R0～R3 的编号分别为 0、1、2 和 3。

题图b 指令格式
请回答下列问题。
1）该机的指令系统最多可定义多少条指令？
2）假定 inc、shl 和 sub 指令的操作码分别为 01H、02H 和 03H，则以下指令对应的机器代码 各是什么？
① inc R1 ; R1 + 1→R1
② shl R2,R1 ; (R1) << 1→R2
③ sub R3, (R1),R2 ; ((R1)) – (R2) → R3
3）假设寄存器 X 的输入和输出控制信号分别为 Xin 和 Xout，其值为 1 表示有效，为 0 表示无效（例如，PCout=1 表示 PC 内容送总线）；存储器控制信号为 MEMop，用于控制存储器的读(read）和写(write)操作。写出题图 a 中标号①～⑧处的控制信号或控制信号的取值。
4）指令“sub R1,R3,(R2)”和“inc R1”的执行阶段至少各需要多少个时钟周期？

解答：
1 ）指令操作码有 7 位，因此最多可定义 27=128 条指令。
2 ）各条指令的机器代码分别如下：
① “ inc R1 ”的机器码为： 0000001 0 01 0 00 0 00 ，即 0240H 。
②“ shl R2 ， R1 ”的机器码为： 0000010 0 10 0 01 0 00 ，即 0488H 。
③“ sub R3 ， (R1),R2 ”的机器码为： 0000011 0 11 1 01 0 10 ，即 06EAH 。
3 ）各标号处的控制信号或控制信号取值如下：
①0；②mov；③mova；④left；⑤read；⑥sub；⑦mov；⑧Srout。
【评分说明】答对两个给分。
4 ）指令“ sub R1 ， R3 ， (R2) ”的执行阶段至少包含 8 个时钟周期；指令“ inc R1 ”的执行阶段至少包含 7 个时钟周期。 ？？？