【王道笔记-计算机组成原理】第四章 指令系统

• 关于指令的一些总结

指令（又称机器指令）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/指令集。

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。也可以说指令系统是计算机硬/软件的界面。

指令系统是计算机硬件的语言系统，和机器语言有关。

指令的地址数和指令的长度是否固定没有一定的关系。

指令长度与机器字长没有一定的关系。

因为主存一般是按字节编址的，所以指令字长多为字节的整数倍。为了便于取指，指令长度也可能是存储字长的整数倍。

一、指令格式

1.指令的基本格式

• 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：给出被操作的信息（指令或数据）的地址。

  在一个指令系统中，若所有指令的长度都是相等的，则称为定长指令字结构。定字长指令的执行速度快，控制简单。若各种指令的长度随指令功能而异，则称为变长指令字结构。

2.指令按地址数量分类

• 零地址指令
  

  适用情况：
  ①不需要操作数的指令。
  ②操作数从栈顶和次栈顶弹出。

• 一地址指令

  适用情况：
  ①单操作数指令，OP(A1)——>A1。
  ②有两个操作数，但另一个操作数由累加器ACC提供，结果也放在ACC中，(ACC)OP(A1)——>ACC。

• 二地址指令

  A1是目的操作数，保存运算结果。
  (A1)OP(A2)——>A1。

• 三地址指令
  

  (A1)OP(A2)——>A3。

• 四地址指令
  

  (A1)OP(A2)——>A3，A4是下一条指令的地址。

3.变长操作码指令格式

  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，可采取可变长度操作码，即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上。显然，这将增加指令译码和分析的难度，使控制器的设计复杂化。

• 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。
  ②各指令的操作码一定不能重复。

  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。

二、指令的寻址方式

  地址码也分两种：

  形式地址：指令中的地址码字段并不代表操作数的真实地址，表示为(A)。
  有效地址：形式地址结合寻址方式，可以计算出操作数在存储器中的真实地址，也就是有效地址，表示为(EA)。

1.关于寻址的一点说明

  指令系统中采用不同的寻址方式的目的：缩短指令字长、扩大寻址空间、提高编程灵活性。
  但同时指令译码难度择增加了。

• 指令寻址和数据寻址

  指令寻址：寻找下一条将要执行的指令地址。都通过PC给出。

 顺序寻址：程序计数器PC+1自动形成下一条指令的地址。
 跳跃寻址：通过转移类指令实现，由本条指令给出下一条指令的地址的计算方式，得到地址偏移量/相对地址或绝对地址。跳跃的结果是当前指令修改PC值。可以实现程序的无条件转移和条件转移。

  数据寻址：寻找操作数的地址。由寻址特征指出寻址方式，结合形式地址A，得出操作数有效地址EA。

2.常见的数据寻址方式

(1)隐含寻址

  优点：有利于缩短指令字长，简化地址结构。
  缺点：需增加存储操作数或隐含地址的硬件。

(2)立即(数)寻址

  地址字段指出的不是操作数的地址，而是操作数本身，又称立即数。

  优点：指令在执行阶段不访问主存，指令执行时间最短。
  缺点：A的位数限制了立即数的范围。

(3)直接寻址

  指令字中的形式地址A是操作数的真实地址EA，即EA=A。

  优点：简单，指令在执行阶段仅访问一次主存，不需要专门计算操作数的地址。
  缺点：A的位数决定了该指令操作数的寻址范围，操作数的地址不易修改。

(4)间接寻址

  指令的地址字段给出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，也就是操作数地址的地址，即EA=(A)。

  优点：可扩大寻址范围（有效地址 EA的位数大于形式地址A的位数），便于编制程序（用间接寻址可方便地完成子程序返回）。
  缺点：指令在执行阶段要多次访存，速度过慢，一般问到扩大寻址范围时，通常指的是这种方式。

(5)寄存器寻址

  寄存器寻址是指在指令字中直接给出操作数所在的寄存器编号，即 EA=Ri，其操作数在由Ri所指的寄存器内。

  优点：指令在执行阶段不访问主存，只访问寄存器，因寄存器数量较少，对应地址码长度较小(可有效缩短指令中某个地址段的位数)，使得指令字短且因不用访存，所以执行速度快。
  缺点：寄存器价格昂贵，计算机中的寄存器个数有限。

(6)寄存器间接寻址

  寄存器间接寻址是指在寄存器 Ri中给出的不是一个操作数，而是操作数所在主存单元的地址，即EA=(Ri)。
  特点：与一般间接寻址相比速度更快。

(7)相对寻址

  把程序计数器的内容加上指令格式中的形式地址A而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，它随PC值的变化而变化，且与指令地址之间总是相差一个固定值，因此便于程序浮动。相对寻址广泛应用于转移指令。对于多道程序设计来说最重要。

(8)基址寻址(面向系统)

  基址寻址是指将CPU中基址寄存器的内容加上指令格式中的形式地址A而形成操作数的有效地址，即EA=(BR)+A。其中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（基址寄存器的位数大于形式地址A的位数），有利于多道程序设计，并可用于编制浮动程序，但偏移量（形式地址A）的位数较短。

(9)变址寻址(面向用户)

  变址寻址是指有效地址EA等于指令字中的形式地址A与变址寄存器IX的内容之和，即 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；有利于数组处理，特别适合编制循环程序。

(10)堆栈寻址

  寄存器堆栈又称硬堆栈。寄存器堆栈的成本较高，不适合做大容量的堆栈；而从主存中划出一段区域来做堆栈是最合算且最常用的方法，这种堆栈称为软堆栈。
  在采用堆栈结构的计算机系统中，大部分指令表面上都表现为无操作数指令的形式，因为操作数地址都隐含使用了SP。通常情况下，在读/写堆栈中的一个单元的前后都伴有自动完成对SP内容的增量或减量操作。

三、CISC和RISC的概念

  CISC复杂指令系统计算机，功能更强大，指令更复杂；RISC精简指令系统计算机，指令简单，执行速度快。

  RISC精简指令系统计算机，要求指令系统简化，尽量使用寄存器-寄存器操作指令。指令格式一致，指令长度固定、种类少，寻址方式种类少，指令功能没那么强。

  RISC采用指令流水线技术，使大部分指令在一个时钟周期内完成。适合流水线的指令系统的特征有∶ ①指令长度应尽量一致;② 指令格式应尽量规整;③ 保证除Load/Store指令外的其他指令都不访问存储器; ④数据和指令在存储器中"对齐"存放。

附：王道选择题笔记

1.程序控制类的指令
  功能是改变程序执行的顺序，包括：无条件转移、有条件转移、子程序调用、返回指令、循环指令。

2.某计算机按字节编址，指令字长固定且只有两种指令格式，其中三地址指令29条、二地址指令107条，每个地址字段为6位，则指令字长至少应该是（24位）。
  计算出来是23，但由于按字节编址，所以应当是8的倍数，取24。

3.运算型指令的寻址和转移性指令的寻址不同点在于：
  前者取操作数，后者决定程序转移地址。

4.某指令系统有200条指令，对操作码采用固定长度二进制编码，最少需要用(8)位。

5.一个计算机系统采用32位单字长指令，地址码为12位，若定义了250条二地址指令，则还可以有（24K）条单地址指令。
  地址码为12位，二地址指令的操作码长度为32-12-12=8位，已定义了250条二地址指令，2⁸-250=6，即可以设计出单地址指令6×2¹²=24K条。