计算机组成原理 指令系统

一、机器指令

每一条 机器语言 的指令叫 机器指令

全部机器指令的 集合 叫机器的 指令系统

指令由 操作码 和 地址码 组成，指令字长 与操作码长度、操作数地址长度、操作数地址个数有关。

• 操作码：指明该指令要完成的操作、对什么类型的数据进行操作（有的指令系统还在此处说明了操作数的寻址方式），其长度可以固定，也可变化，操作码位数随地址数减少而增加。
• 地址码：指出指令操作数地址、结果地址、下一条指令地址。

注：

• 操作吗并非一定如上图所示，集中在一个区域，可以分散在指令不同字段中。
• 使用频率高的指令用短操作码，使用频率低的用长操作码，可缩短编译时间

（1）四地址指令

格式：

在执行过程中，访存 4 次，指令直接寻址范围太小

由于程序计数器 PC 有计数功能，可自动形成下一条指令地址，故可得三地址指令。

（2）三地址指令

格式：

在执行过程中，访存 4 次。

若将中间计算结果放入 CPU 寄存器中（而不放入主存），则可省去结果地址，得到二地址指令。

（3）二地址指令

格式：

在执行过程中，访存 3 次。

若将一位操作数直接放于运算器 ACC 中，则得到一地址指令。

（4）一地址指令

格式：

在执行过程中，访存 2 次。

（5）零地址指令

无地址码，如 进栈出栈指令。

二、操作数类型和操作类型

1.操作数类型

• 地址：无符号整数
• 数字：定点数、浮点数、十进制数
• 字符：ASCII
• 逻辑数据

2.数据存放方式

• 任意位置开始：浪费存储空间，访存时间短
• 每次从一个字起始位置开始
• 按“边界对准”存储：从地址整数倍位置开始访问。如下图：

3.操作类型

• 数据传送
• 算数逻辑运算
• 移位：分算术移位、逻辑移位、循环移位
• 转移
• 输入输出（对于 I/O 单独编址的计算机，才有输入输出指令）
• 其他：如等待指令、停机指令等

转移：

分无条件转移、条件转移、调用与返回、陷阱与陷阱指令

1. 调用与返回指令通常配合使用
2. 陷阱指令通常不提供给用户，作为隐指令，在有意外故障时由 CPU 自动产生并执行。

三、寻址方式

寻址方式指确定本条指令的数据地址，以及下一条指令的地址的方法。

分为：

• 指令寻址
• 数据寻址

1.指令寻址

• 顺序寻址：PC 自动加 1 ，形成下一条指令地址（注意，此处 “1”的含义，若指令字长 32 字节，存储单元 8 字节，则此时 PC+4）
• 跳跃寻址：由转移指令指出

2.数据寻址

（1）立即寻址

特点：形式地址 A 不是地址，而是操作数本身，又称为立即数。

执行阶段不必访存。

（2）直接寻址

特点：形式地址 A 就是有效地址

执行阶段只访存 1 次，但是必须通过修改 A 的值才可修改操作数地址。

（3）隐含寻址

特点：指令字中补明显给出操作数地址，地址隐含于操作码或某个寄存器。

其中，寻址特征部分为隐含寻址，A 为直接寻址。

有利于缩短指令字长。

（4）间接寻址

分为一次间址（如上图）、多次间址（A 所指的还不是最终地址）。

扩大了操作数寻址范围，利于编址程序，缺点为访存时间长。

（5）寄存器（直接）寻址

A 为寄存器编号，操作数在 A 所指寄存器中。

执行时无需访存，执行时间短。

（6）寄存器间接寻址

A 为寄存器编号， A 所指寄存器中存有效地址。

执行阶段仍需访存，便于编写循环程序。

（7）基址寻址

采用专门寄存器做基址寄存器，有效地址 EA = 基址寄存器 BR 中地址 + A

（8）变址寻址

有效地址 EA = 变址寄存器 IX 中地址 + A

与基址寻址不同：

• 基址寄存器的内容由操作系统、管理程序确定，A 可变。
• 变址寄存器内容由用户确定，A 不可变。，主要用于处理数组问题。

（9）相对寻址

其有效地址为程序计数器 PC 中的地址，与指令字中的形式地址 A 相加而得。

（10）堆栈寻址

堆栈寻址指令字中没有形式代码字段，属于零地址指令。

四、RISC 技术

• RISC 精简指令系统计算机

• CISC 复杂指令系统计算机

 

本文中图片除第一张外均为刘宏伟教授在中国大学MOOC上的课件截图