计算机组成原理 | 第七章：指令系统 | 寻址方式 | 指令格式设计

机器指令

指令的一般格式

操作码字段(OP)	地址码字段(A，几地址就有几个A)

操作码（扩展操作码⭐️）

反映机器做什么操作

• 长度固定
  • 用于指令字长较长的情况，RISC。位置固定，位数固定，便于译码处理。
• 长度可变
  • 操作码分散在指令字的不同字段中，指令字长较短时，可利用操作码的扩展技术，增加操作系统的操作类型。

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⭐️扩展操作码

• 扩展操作码应遵守的原则：
  • 使用频度高的指令应分配短的操作码，使用频率低的指令相应地分配较长的操作码
  • 短码不能是长码的前缀
• 操作码的位数随地址数的减少而增加
  

一道例题
假设字长为16位，操作数的地址码为6位，指令有零地址、一地址、二地址三种格式

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地址码（访存次数⭐️）

• 四地址
  
  • 四次访存：取址→访$A_1$→访$A_2$→结果（$A_3$）
• 三地址
  
  • 4次访存：取址→访$A_1$→访$A_2$→结果（$A_3$）
• 二地址
  
  • 4次访存：取址→访$A_1$→访$A_2$→结果（存回$A_1$/$A_2$）
  • 存于ACC，3次访存：若存ACC里，那就少存回的那一次
    
• 一地址
  
  • 2次访存：取址→存入
• 零地址：无地址码

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日常分不清楚

梳理机器字长、指令字长、存储字长

• 字长：一个字中的二进制位的位数
  • 二进制的每一个0或1是组成二进制的最小单位，称为位（bit）。常用的字长为8位、16位、32位和64位。字长为8位的编码称为字节，是计算机中的基本编码单位。
• 机器字长：计算机能直接处理的二进制数据的位数。
  • 机器字长通常与主存单元的位数一致，即与寄存器内核位数有关
  • 机器字长反映了计算机的运算精度，即字长越长，数的表示范围也越大，精度也越高。
  • 机器字长与主存储器字长通常是相同的，但也可以不同.不同的情况下，一般是主存储器字长小于机器字长，例如机器字长是32位，主存储器字长可以是32位，也可以是16位，当然，两者都会影响CPU的工作效率。
• 指令字长：一个指令字中包含二进制代码的总位数。
• 存储字长：一个存储单元存储二进制代码的位数。

啊我真的需要分清楚嘛

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指令字长

字长可变，导致控制电路复杂，多字长指令需要多次访存，应尽量把常用指令设计为单字长/短字长（通常令字长取8的整数倍）

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• 当用一些硬件资源代替指令字中的地址码字段后（用PC代替$A_4$）
  • 可扩大指令操作数的寻址范围
  • 可缩短指令字长
  • 可减少访存次数
• 当指令的地址字段为寄存器时（将结果存于ACC）
  • 可缩短指令字长
  • 指令执行阶段不访存（可提速）

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操作数类型和操作种类

操作数类型

数据在存储器中的存放方式

指路第四章第三只的第三根

操作类型

• 数据传送
  
• 算术逻辑运算
  
• 移位运算
  • 算术移位、逻辑移位、循环移位（带进位和不带进位）
• 转移

  • 无条件转移 JMP

  • 条件转移
    

  • 陷阱与陷阱指令

    • 一般不提供给用户直接使用（在出现事故时，由CPU自动产生并执行）
    • 设置供用户使用的陷阱指令
      

  • 调用和返回
    

    • 在编写程序时，有些具有特定功能的程序段会被反复利用，为避免重复编写，可将这些程序段设定为独立子程序，但需要执行某子程序时，只需要子程序调用指令即可。
    • 子程序可在多处被调用
    • 子程序调用可出现在子程序中，即运行子程序嵌套
    • 每个CALL指令都对应一条RETURN指令
    • 堆栈用于子程序的多重调用

    对照中断嵌套，大体流程对照理解，多重调用软件实现，中断嵌套硬件实现，前者又称为软中断。
    

• 输入输出
  • 入：端口地址→CPU的寄存器
  • 出：CPU的寄存器→端口地址

寻址方式⭐️

• 指令寻址：下一条欲执行指令的指令地址
• 数据寻址：确定本条指令的操作数地址

指令寻址

指令寻址比较简单，它分为顺序寻址和跳跃寻址两种

• 顺序寻址可通过程序计数器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
  

数据寻址

数据寻址实际上就是取操作数

• 数据寻址方式种类较多，在指令字中设一字段来指明属于哪一种寻址方式（寻址特征）
• 指令的地址码字段通常都不代表操作数的真实地址，故把它称为形式地址，记作A
• 操作数的真实地址（寄存器的端口地址）称为有效地址，记作EA，它是由寻址方式和形式地址共同来确定的
• 指令字长 = 存储字长 = 机器字长实际不一定成立，作以上约定。其中指令字长＝存储字长使得访问一次内存，得到一条完整指令。

立即寻址

直接寻址

隐含寻址

间接寻址

寄存器寻址

寄存器间接寻址

基址寻址

变址寻址

比较基址寻址和变址寻址

相对寻址（带例题详解）

相对寻址一道题（带批注详解）

堆栈寻址（带例题详解）

堆栈寻址一道题（带批注详解）

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总结一下

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寻址方式相关题型⭐️⭐️

寻址方式的理解

指令格式设计

RISC技术（了解）

RISC：精简指令系统计算机

主要特征

小结

划个重点

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参考博客
机器字长、指令字长、存储字长