指令系统 —— 指令格式

一、指令的定义

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。

指令的长度是指一条指令中所包含的二进制代码的位数，因为主存一般是按字节编址的，所以指令的长度一般为字节的整数倍

指令长度与机器字长没有固定的关系，它可以等于机器字长，也可以大于或小于机器字长。根据指令长度与机器长度的大小关系，可以把指令分为

• 单字长指令
• 半字长指令
• 双字长指令

根据指令的长度是否固定，可以把指令分为

• 定长指令字结构
• 变长指令字结构

根据操作码的长度是否固定，可以把指令分为

• 定长操作码：n位，可以包含2^n条指令
• 扩展操作码：操作码长度可变

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二、指令的基本格式

（1）指令分类

（2）示例

为了增加指令操作数的直接寻址范围，我们可以对四地址指令进行优化，将下一个指令的地址按顺序存放在程序计数器 PC 中

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三、定常操作码指令格式

定常操作码指令在指令字的最高位部分分配固定的若干位（定长）表示操作码。一般用 n 位操作码字段的指令系统最大能表示 2^n 条指令

优点：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；
缺点：指令数量增加时会占用更多固定位，留给表示操作数地址的位数受限。

四、扩展操作码指令格式

全部指令的操作码字段的位数不固定，且分散地放在指令字的不同位置。在设计扩展操作码指令格式时，必须注意以下两点：

1. 不允许短码是长码的前缀，即短操作码不能与长操作码的前面部分的代码相同，否则无法区分不同长度的操作码。
2. 各指令的操作码一定不能重复。

优点：在指令字长有限的前提下仍保持比较丰富的指令种类
缺点：增加了指令译码和分析的难度，使控制器的设计复杂化。

通常情况下，对使用频率较高的指令，分配较短的操作码；对使用频率较低的指令，分配较长的操作码，从而尽可能减少指令译码和分析的时间。

示例1：

4 位基本操作码如果全部用于三地址指令，则有16条。但至少需要将1111留作扩展操作码来用，即三地址指令为15条。

1111 1111留作扩展操作码来用，即二地址指令为15条。

1111 1111 1111留作扩展操作码来用，即一地址指令为15条。

零地址指令为16条

故扩展操作码指令格式共可以表示 15+15+15+16=61 条指令

示例2：