计算机组成原理：4.1 指令格式

4.1 指令格式

思维导图

基本概念

指令：

• 是指示计算机执行某种操作的命令，计算机运行的最小功能单位
• 一条指令通常包括操作码字段和地址码字段两部分

指令系统（指令集）：

• 一台计算机的所有指令的集合
• 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

指令的基本格式

指令

• 一条指令通常包括操作码字段和地址码字段两部分

• 操作码：指出指令中指令应该执行什么性质的操作和具有何种功能。
  操作码是识别指令、了解指令功能及区分操作数地址内容的组成和使用方法的关键信息。

• 地址码：给出被操作的信息（指令或数据）的地址，包括参加运算的一个或多个操作数所在的

• 指令长度：

  • 是指一条指令中所包含的二进制代码的位数
  • 指令的长度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，与机器字长没有固定的关系。

• 分类：（机器字长比较）

  • 单字长指令
  • 半字长指令
  • 双字长指令

• 两种结构：

  • 定长指令结构

    • 一个指令系统中，所有的指令的长度都是相等的
    • 特点：执行速度快，控制简单

  • 变长指令结构

    • 各指令长度随指令功能而异

零地址指令

• 只给出操作码OP，没有显式地址。

• 可能：

  • 不需要操作数的指令，如空操作指令、停机指令、关中断指令等
  • 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堆栈。

一地址指令

• 两种形式，要根据操作码的含义确定为哪一种

• 两种形式

  • 只有目的操作数的单操作数指令，按A1地址读取操作数，进行OP操作后，结果存回原地址。
    指令含义：OP（A1）→A1如操作码含义是加1、减1、求反、求补等。
  • 隐含约定目的地址的双操作数指令，按指令地址A1可读取源操作数，指令可隐含约定另个操作数由AC（累加器）提供，运算结果也将存放在ACC中。
    指令含义：（ ACC）OP（A1）→ACC
    若指令字长为32位，操作码占8位，1个地址码字段占24位，则指令操作数的直接寻址范围为2^24=16M

二地址指令

• 指令含义：（A1）OP（A2）→A1
  对于常用的算术和逻辑运算指令，往往要求使用两个操作数，需分别给出目的操作数和源操作数的地址，其中目的操作数地址还用于保存本次的运算结果

三地址指令

• 指令含义：（A1）OP（A2）→A3
  A3用來存放結果

四地址指令

• 指令含义：（A1）OP（A2）→A3，A4=下一条将要执行指令的地址。

定长操作码指令格式

• 定长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
• 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

• 目的：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，采取可变长度操作码

• 特性：增加指令译码和分析的难度，使控制器的设计复杂化

• 最常见的变长操作码方法是扩展操作码，它使操作码的长度随地址码的减少而增加，不同地址数的指令可具有不同长度的操作码，从而在满足需要的前提下，有效地缩短指令字长。

在设计扩展操作码指令格式时：需要注意：

• 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。
• 2. 各指令的操作码一定不能重复