计算机组成原理之指令系统

指令系统

指令格式

指令的基本格式

操作码字段	地址码字段

• 操作码：指出指令中该指令应该执行什么性质的操作和具有何种功能
• 地址码：指出被操作的信息的地址（参加运算的操作数所在的地址，运算结果的保存地址，程序的转移地址，被调用的子程序的入口地址）
• 指令的长度：一条指令中所包含的二进制的位数

单字长指令：指令长度等于一个机器字长的指令
半字长指令：指令长度等于半个机器字长的指令
双字长指令：指令长度等于两个机器字长的指令

零地址指令

OP

只需要给出操作码 OP，没有显式地址：

1. 不需要操作数的指令：空操作指令，停机指令，关中断指令
2. 林地址的运算类指令：堆栈计算机

一地址指令

OP	$A_1$

1. 只有目的操作数的单操作数指令。按$A_1$地址读取操作数，进行 OP 操作，结果存回原地址
2. 隐含约定目的地址的双操作数指令，按指令地址$A_1$可读取源操作数，指令可隐含约定另一个操作数由 ACC（累加器）提供

二地址指令

OP	$A_1$	$A_2$

$（A_1）OP（A_2）\to A_1$

分别给出目标操作数和源操作数的地址，目标操作数的地址用于保存本次运算的运算结果

三地址指令

OP	$A_1$	$A_2$	$A_3$（结果）

四地址指令

OP	$A_1$	$A_2$	$A_3$（结果）	$A_4$（下址）

定长操作码指令格式

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

• 简化计算机硬件设计，提高指令译码和识别速度

扩展操作码指令格式

• 不允许短码是长码的前缀
• 各指令的操作码一定不能重复

指令寻址方式

指令寻址和数据寻址

指令寻址

1. 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
2. 跳跃寻址
   通过转移类指令实现，下一条指令的地址码不由程序状态计数器给出，而是由本条指令给出下条指令地址的计算方式，跳跃的结果是修改 PC 值，下一条指令仍然通过 PC 给出

数据寻址

操作码	寻址特征	形式地址 A

常见的数据寻址方式

隐含寻址

在指令中隐含操作数的地址，如规定 ACC 作为第二操作数的地址，指令明显指出仅仅是第一操作数的地址

• 优点：有利于缩短指令字长
• 缺点：需增加存储操作数或隐含地址的硬件

立即数寻址

地址字段指出的是操作数本身

• 优点：指令在执行阶段不访问主存，指令执行时间短
• 缺点：地址字段的位数限制了立即数的范围

直接寻址

指令字的形式地址 A 是操作数的真实地址 EA，即 EA=A

• 优点：简单，指令执行阶段仅访问一次主存，不需要专门计算操作数的地址
• 确定啊：A 的位数决定了指令操作书的寻址范围，操作数的地址不易修改

间接寻址

指令地址字段的形式地址不是操作数的真正地址，而是操作数有效地址所在的存储单元的地址，即操作数地址的地址，EA=（A）
间接寻址可以是一次间接寻址，也可以是多次间接寻址

• 优点： 可扩大寻址范围
• 缺点：指令再执行阶段要多次访存

寄存器寻址

指令字中直接给出操作数所在的寄存器编号，$EA=R_i$,操作数在$R_i$所指的寄存器内

寄存器间接寻址

寄存器$R_i$中给出的不是操作数，而是操作数所在主存单元的地址，$EA=（R_i）$

• 优点：比一般间接寻址相比速度快
• 缺点：指令执行阶段需要访问主存

相对寻址

把程序计数器（PC）的内容加上指令格式中的形式地址 A 形成操作数的有效地址
，$EA=（PC）+A$

• 优点：操作数的地址不是固定的，随 PC 值的变化而变化，便于程序浮动，广泛应用于转移指令

基址寻址

将 CPU 中基址寄存器 BR 的内容加上指令格式的形式地址 A 形成操作数的有效地址，EA=（BR）+A，基址寄存器既可采用专用寄存器，又可采用通用寄存器

• 优点： 可扩大寻址范围，有利于多道程序设计
• 缺点：偏移量（形式地址A）的位数较短

变址寻址

有效地址 EA 等于指令字中形式地址 A 与变址寄存器 IX 的内容之和，$EA=（IX）+A$,其中 IX为变址寄存器（专用），也可用通用寄存器作为变址寄存器

• 优点：可扩大寻址范围

堆栈寻址

总结

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 即使操作数	0
直接寻址	EA=A	1
一次间接寻址	EA=（A）	2
寄存器寻址	EA=R_i	0
寄存器间接一次寻址	EA=（R_i）	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

CISC和 RISC 的基本概念

复杂指令系统计算机（CISC）

1. 指令系统复杂庞大，指令数目一般为 200 条以上
2. 指令的长度不固定，指令格式多，寻址方式多
3. 可以访存的指令不受限制
4. 各种指令使用频度相差很大
5. 各种指令执行时间相差很大，大多数指令需在多个时钟周期内才能完成
6. 控制器大多采用微程序控制
7. 难以用优化编译生成高效的目标代码

精简指令系统计算机（RISC）

1. 选取使用频率最高的一些简单指令，复杂指令有简单指令的组合实现
2. 指令长度固定，指令格式种类少，寻址方式少
3. 只有 Load/Store指令访存，其余指令都在寄存器之间进行
4. CPU 中通用寄存器的数量多
5. 采用指令流水技术，大部分指令在一个时钟周期内完成
6. 以硬布线控制为主，不用或少用微程序控制
7. 重视编译优化工作，减少程序执行时间

CISC 和 RISC 的比较

	CISC	RISC
指令系统	复杂，庞大	简单、精简
指令数目	一般大于 200 条	一般小于 100 条
指令字长	不固定	定长
可访存指令	不加限制	只有 Load/Store 指令
各种指令执行时间	相差较大	绝大多数在一个周期内完成
各种指令使用频度	相差很大	都比较经常使用
通用寄存器数量	较少	多
目标代码	难以用优化编译生成高效的目标代码程序	采用优化的编译程序，生成的代码较为高效
控制方式	微程序控制为主	组合逻辑控制为主
指令流水线	通过一定方式实现	必须实现