4-1指令系统-指令格式

一.指令的基本格式

一条指令就是机器语言的一个语句，它是一组有意义的二进制代码。

1.结构

一条指令通常包括操作码字段和地址码字段两部分。
（1）操作码OP：指出指令中应该执行什么性质的操作和具有何种功能。即进行什么操作，如取数、乘法、加法、停机
（2）地址码A_i：给出被操作的信息（指令或者数据）的地址。即对谁进行操作

2.长度

（1）指令字长：一条指令的总长度（可能会变）
（2）机器字长：CPU进行一次整数运算所能处理的二进制数据的位数（通常和ALU直接相关）（固定不变）
（3）存储字长：一个存储单元中的二进制代码位数（通常和MDR位数相同）（固定不变）

• 什么是指令字长、机器字长和存储字长？
  指令字长是指一个指令字中包含二进制代码的位数。机器字长指计算机能直接处理的二进制数据的位数。存储字长指一个存储单元存储一串二进制代码（存储字）的位数。

指令字长会影响取指令所需时间。如：机器字长=存储字长=16bit，则取一条双字长指令（32bit）需要两次访存

①按指令长度分类

• 单字长指令：长度等于机器字长
• 双字长指令：长度等于两倍机器字长
• 半字长指令：长度等于半个机器字长
• 定长指令字结构：所有指令长度相同
• 变长指令字结构：各种指令长度不同

②按操作码长度分类

• 定长操作码：指令系统中所有指令的操作码长度都相同。n位的操作码可以支持2ⁿ条指令。控制器的译码电路设计简单，但灵活性较低
• 可变长操作码：指令系统中各指令的操作码长度可变。控制器的译码电路设计复杂，但灵活性较高

3.根据操作数地址码数目分类

（1）零地址指令

只给出操作码，没有给出地址。
①不需要操作数的指令。如停机指令、空操作指令、关中断指令。
②零地址的运算类指令仅使用在堆栈计算机中
通常参与运算的两个操作数隐含的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。
类似于用栈实现中缀转后缀，详见3-2栈和队列-应用-2.表达式求值-（6）用栈实现中缀转后缀（运算符栈）

（2）一地址指令

给出操作码和一个地址码。若指令字长32位，操作码8位，地址码24位，则指令操作数直接寻址范围为2²⁴，其他同理

①只有目的操作数的单操作指令
按A₁读取操作数，进行OP操作后，结果存回源地址。对地址码指定位置的操作数进行操作码操作，存回地址码指定位置OP(A₁)→A₁
如：加1、减1、取反

• A₁指某个主存地址，(A₁)表示A₁所指向的地址中的内容
• 需要三次访存：取指令、取操作数、存放结果

②隐含约定目的地址的双操作数指令
按指令地址A₁读取源操作数，指令可隐含约定。另一个操作数由ACC提供，运算结果也存入ACC中。对地址码指定位置的操作数与ACC存放的操作数进行操作码运算，结果存入ACC，即(ACC)OP(A₁)→ACC
如：加法、减法、乘法、除法

• 需要两次访存：取指令、取操作数

（3）二地址指令

给出操作码和两个地址码。常用于需要两个操作数的算术运算、逻辑运算相关指令。
对目的地址码A₁指明的目的操作数和源地址码A₂指明的源操作数进行操作码执行的运算，结果存回目的操作数的地址A₁（目的地址码），即(A₁)OP(A₂)→A₁

• 需要四次访存：取指令、取两个操作数、存放结果

（4）三地址指令

(A₁)OP(A₂)→A₃
需要四次访存：取指令、取两个操作数、存放结果

（5）四地址指令

(A₁)OP(A₂)→A₃，A₄指明下一条要执行指令的地址

• 需要四次访存：取指令、取两个操作数、存放结果
• 正常情况下，取指令后(PC)+1→PC，PC自动指向下一条指令。但在四地址指令中，应该将PC的值修改为A₄所指向的地址

二.扩展操作码指令格式

扩展操作码是定长指令字结构（所有指令长度相同）和可变长操作码（操作码的长度可变）的结合。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。但增加了指令译码和分析的难度，使控制器的设计复杂化。

1.三地址指令：OP4位，0000~1110，15条
对于三地址指令，前4位为基本操作码OP，后面三个地址字段A₁、A₂、A₃分别占4位，指令字长共16位。4位基本操作码若全部用于三地址指令，即从0000到1111共16条。为保证零地址、一地址、二地址指令的使用，需留出1111开头的OP作为扩展操作码。因此三地址指令共15条。

2.二地址指令：OP8位，11110000~11111110，15条
对于二地址指令，前8位为基本操作码OP，后面两个地址字段A₁、A₂分别占4位，指令字长共16位（不变）。8位基本操作码若全部用于二地址指令，二地址指令的OP以111开头，范围1111 0000~1111 1111，共16条。同样二地址指令需要将1111 1111开头的OP留作扩展操作码，供一地址和零地址使用。因此二地址指令共15条。

3.一地址指令：OP12位，111111110000~111111111110，15条
对于一地址指令，前12位为基本操作码OP，后面一个地址字段A₁占4位，指令字长共16位（不变）。12位基本操作码全部用于一地址指令，一地址指令以1111 1111开头，范围1111 1111 0000~1111 1111 1111，共16位。同样一地址指令需要将1111 1111 1111开头的OP留作扩展操作码，供零地址使用。因此一地址指令共15条。

4.零地址指令：OP16位，1111111111110000~1111111111111111，16条
对于零地址指令，16位全部为基本操作码OP，指令字长16位（不变）。16位基本操作码全部用于零地址指令，范围1111 1111 1111 0000~1111 1111 1111 1111，共16条。

可以看出，操作码的长度随地址码的减少而增加，使得所有指令长度相同。

以上设计满足：
①不允许短码是长码的前缀
②各指令的操作码一定不能重复
（类似于哈夫曼编码）

通常来说，对于使用频率较高的指令分配较短的操作码，从而尽可能减少指令译码和分析的时间。

[例] 设指令字长固定为16位试设计一套指令系统满足：有15条三地址指令，12条二地址指令，62条一地址指令，32条零地址指令

解：
①三地址指令：0000~1110
②二地址指令：1111 0000~1111 1011
③一地址指令：
1111 1100 0000~1111 1100 1111
1111 1101 0000~1111 1101 1111
1111 1110 0000~1111 1110 1111
1111 1111 0000~1111 1111 1101（零地址32条，至少留2组，即10和11）
④零地址指令：
1111 1111 1110 0000~1111 1111 1110 1111
1111 1111 1111 0000~1111 1111 1111 1111

注：设地址长度为n，上一层留出m种状态，下一层可扩展出m×2ⁿ种状态

在本例中地址长度为4，三地址指令留出一位给二地址，二地址可扩展出1×2⁴=16种状态，而二地址只需要12条，给一地址留出4条。一地址可扩展出4×2⁴=64种，而一地址只需要62种，留个零地址指令2种。零地址指令可扩展出2×2⁴=32种

三.指令的操作类型

1.数据传送

传送指令通常有寄存器之间的传输（MOV）、从内存单元读取数据到CPU寄存器（LOAD）（如取a置ACC）、从CPU寄存器写数据到内存单元（STORE）（如将存放在ACC中的计算结果写回主存）

2.算术逻辑单元

加（ADD）、减（SUB）、比较（CMP）、乘（MUL）、除（DIV）、加1（INC）、减1（DEC）、与（AND）、或（OR）、取反（NOT）、异或（XOR）

3.移位操作

算法移位、逻辑移位、循环移位等

4.转移操作

无条件转移（JMP）、条件转移（BRANCH）、调用（CALL）、返回（RET）、陷阱（TRAP）等。无条件转移指令在任何情况下都执行转移操作，而条件转移指令仅在特定条件满足时才执行转移操作，转移条件一般是某个标志位的值，或几个标志位的组合。（转移主要依靠PC的指向）

• 调用指令和转移指令的区别
  执行调用指令时必须保存下一条指令的地址(返回地址)，当子程序执行结束时，根据返回地址返回到主程序继续执行；而转移指令则不返回执行。

5.输入输出操作

这类指令用于完成CPU与外部设备交换数据或传送控制命令及状态信息。

按指令的操作类型分类：
（1）数据传送类：进行主存和CPU之间的数据传送（数据传送）
（2）运算类：算术逻辑操作、移位操作
（3）程序控制类：改变程序执行的的顺序（转移操作）
（4）输出/输出类：进行CPU和I/O设备之间的数据传送（输入输出操作）