计算机组成原理——第四章指令系统（上）

提示：待到秋来九月八，我花开后百花杀

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前言

通过第二章我们学习了运算器是如何进行加减乘除，移位运算操作的，通过第三章学习了数据是如何存放于各种各样的存储器当中的，CPU又是如何从存储器中取走数据的，之前我们说过控制器是控制各种各样的部件，协调部件进行工作的，这一章主要是说控制器需要的指令如何设计

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提示：以下是本篇文章正文内容，下面案例可供参考

4.1.1 指令格式

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计算机的指令系统，也称为指令集，一个计算机只能执行自己的指令系统中的指令，不能执行其他系统的指令
一条指令通常要包括操作码字段和地址码字段两个部分，并且一个指令中可能包含多个地址码，根据地址码的数目不同，可以将指令分为零地址指令，一地址指令，二地址指令
零地址指令
1，不需要操作数，如空操作，停机，关中断等指令
2，堆栈计算机，两个操作数隐含存放在栈顶和次栈顶，计算结果压会栈顶，（后缀表达式）
一地址指令
1,只需要单操作数，如加一，减一，取反，求补等
指令含义：OP(A1)->A1 完成一条指令需要三次访存，取指->读A1->写A1
2,需要两个操作数，但是其中一个操作数隐含在某个寄存器，如隐含在ACC中
指令含义：(ACC)OP(A1)->ACC 完成一个指令需要两次访存，取值->读A1 ，这里因为不需要再放回数据，而是放回到ACC 所以少了一次访存
二，三地址指令

四地址指令

指令字长
一条指令的总长度（可能会变）
我们所说的半字长指令，单字长指令，双字长指令是说是机器字长的多少倍，指令字长会影响取指令所需要时间，如机器字长=存储字长=16bit,则取一条双字长指令需要两次访问内存
定长指令字结构：指令系统中所有指令的长度都相同
变长指令字结构：指令系统中各种指令的长度不等
按操作码长度进行分类

按操作类型分类
转移操作本质上来说就是实现的程序执行流的变化，如if else 这个时候就不是顺序的 有可能会发生跳转，其实也就死改变PC的值

本节回顾

4.1.2 扩展操作码指令格式

我们讲的扩展操作码指令格式是定长指令字结构，可变长操作码
CPU读入是直接读入16位的但是根据前n位1的个数来确定式几位地址指令，如下图前四位全1 则是二地址指令，前六位是1 则是一地址指令，前11位全1 则一定是零地址指令


二地址12条中大于1011的数还剩下1100，1101，1110 ,1111，你会发现这四个数都是11 开头的，所以加下来如果前六个都是全一的也就超过来二地址指令的范围，后面四bit又是一个地址，所以就留下了中间的六位用来表示操作指令，同样的若是比111101 大的也就是111110 此时前11位就是全1的，后面留有五位就是可以表示32种操作，

指令操作码

4.2.1 指令寻址

顺序寻址
这一节主要探讨指令是如何确定下一条指令的存放地址（始终由程序计数器PC给出），指令寻址可分为顺序寻址和跳跃寻址，因为有的是采用变长指令字结构的话，此时PC简单的加1 肯定是不行了，若是主存按照字节编址主存按字节编址，也就以为着每一个指令占据两个地址，则此时的PC应该是加2，若是采用变长指令字结构，读入一个字，根据前面的操作码，来确定是几地址指令，由此来判断此条指令的总字节数n 修改PC的值，此时也就是(PC)+n->PC，所以这个n 是根据指令字长和系统是按照字编址还是按照字节编址来确定的

跳跃寻址
由转移指令指出，如这里的JMP,类似C语言中的goto语句

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4.2.2 数据寻址

观察上图你会发现上面是从0地址开始的，但是若是不从0开始 此时若是依然JMP 跳转到7这样不是很明显是错的吗，所以也就有了数据寻址:确定本条指令的地址码指明的真实地址，接下来我们会学习十种数据寻址的方式，然后知道用那种方式来解释这种地址码的含义，通常我们可以在地址码的前面加上这样的几个bit位，这里有十种，也就需要四个bit位便足够了，如这里我们中间加上几个寻址特征来确定寻址方式，若是有多个地址 自然每一个地址的方式也可能不同，这也就有可能有多种寻址特征、
实际应用中，往往是多种寻址方式复合使用
直接寻址

间接寻址
其实也就是相当于指针的形式，（A）依然是一个地址，若是真实的地址则是一次间址，若是（A）需要在看（（A））则是二次间址

寄存器寻址
这个地址码指向的不是某一个内存单元而是指向了某一个寄存器，CPU会有许多的寄存器，每一个寄存器都有一个编号，直接去指向的这个寄存器找就可以了

寄存器间接寻址
比起之前我们提到的基于主存的间接寻址来说，这一次间接找地址的过程是不需要访存的，因此更快

隐含寻址
有的指令显式的给出一个地址，另外一个地址被隐藏的银隐含于ＡＣＣ
中

立即寻址
直接寻址放的式操作数的地址，而立即寻址则存放的是操作数，寻址特征中我们写了一个# 号也就意味着后面跟的形式地址就是一个立即数，

4.2.3 偏移寻址

以某个地址作为起点 形式地址视为偏移量，这节我们主要学习三种，相对寻址（以程序计数器PC所指地址作为起点），基址寻址（以程序的起始存放地址作为起点），变址寻址（程序员自己决定从哪里作为起点）
基址寻址
优点是便于程序“浮动”方便实现多通道程序并发运行，所谓浮动就是指可以从内存中任何一个地址作为一个起始地址，每一个程序运行之前CPU的基址寄存器的值通常都是存放于程序控制块PCD中的，基址寄存器是面向操作系统的，其内容由操作系统或管理程序确定，在程序执行过程中，基址寄存器的内容不变(作为基地址)，形式地址可变(作为偏移量)，普通程序员可以使用汇编语言来直接操纵某一个通用寄存器中的值，读或者写都行，但是当某一个寄存器被指定作为一个基址寄存器后，那么这个寄存器中的值也是不能修改的，其内容会由操作系统进行管理，同时由于基地址的位比较长，也可扩大寻址范围


变址寻址
这种变址寻址在循环中有很大作用，在数组的处理过程中，可设定A为数组的首地址，不断改变变址寄存器ix的内容，便可很容易的形成数组种任一数据的地址，特别适合编制循环程序

相对寻址
是相对于下一个指令地址的偏移量，这个偏移量可正可负，用补码表示，因为当cpu取出一条指令之后，pc一定是自动加n的，自动指向下一条指令，优点：操作数的地址不是固定的，它随着PC的值变化而变化，并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，（一段代码再程序内部浮动，直接寻址的浮动是整段程序的浮动，而这里是一段代码的浮动）但是这里也就有了一个问题，若是修改程序段，数组始址不再是存放于7这个位置，这里一种解决方法就是将数据段，程序段分开


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注意这里的偏移量是相对于下一个指令的偏移量，这里两个数进行比较是通过相减，相减的结果结果信息会记录再程序状态字寄存器中PSW,根据PSW的某几个标志位进行条件判断，来决定是否转移

4.2.4 堆栈寻址

堆栈指针存放于一个寄存器中，也就意味着我们不需要一个显式的操作地址，它的操作地址是隐藏于SP这个寄存器中的
软堆栈：从主存中划分一部分区域作为，也就意味着弹出一个元素 或压入一个元素都是需访问主存，所以没有直接放在寄存器的快
出栈时之间EA（有效地址）便可，但是入栈的时候需要先加一或者减一才能入栈

汇总

取值的时候是需要访存的，但是这里指的是指令执行期间