ch7_1指令系统

计算机硬件与软件之间的接口，　指令系统。

1.机器指令

1.1　指令的格式

指令的格式是什么？
操作码，地址码，寻址方式；

• 指令的字长，可以分为固定字长，可变字长；

• 操作码的长度可以是固定的，也可以是变化的。

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
如 IBM 370 操作码 8 位
长度可变:
操作码分散在指令字的不同字段中

1.2　扩展操作码

扩展操作码是
一种指令优化技术，即让操作码的长度随地址数的减少而增加，不同地址数的指令可以具有不同的操作码长度;

• 三地址指令操作码, 每减少一种最多可多构成$2^4$种二地址指令

• 二地址指令操作码,每减少一种最多可多构成$2^4$ 种一地址指令

1.3　地址码

地址码用来指出该指令的原操作数的地址（一个或两个）、结果的地址以及下一条指令的地址。

如果地址字段均指示主存的地址，则完成一条四地址指令，共需访问4次存储器（取指令一次，取两个操作数两次，存放结果一次）

• 四地址
  

• 三地址
  

(A1) OP (A2) A3 : 若 PC 代替 A4

• 二地址
  

若结果存于 ACC 若ACC 代替 A1（或A2

• 一地址
  

• 零地址，　无地址码

1.4　指令字长

指令字长取决于:

• 操作码的长度、
• 操作数地址的长度和
• 操作数地址的个数

指令字长 固定
指令字长 = 存储字长

指令字长 可变
按字节的倍数变化

1.5　小结

当用一些硬件资源代替指令字中的地址码字段后：

• 可扩大指令的寻址范围
• 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：

三地址 OP R1, R2, R3
二地址 OP R1, R2
一地址 OP R1
• 指令执行阶段不访存
• 可缩短指令字长

2. 　操作数类型与操作类型

一个字节通常8位长。
4 个字节代表一个字，这是计算机在执行指令时能够有效处理数据的单位。一些语言描述需要2个字节表示一个字符，这叫做双字节字符集。

2.1 操作数类型

地址，　无符号整数

数字，　定点树　，　浮点数，　十进制数
字符，　ASCII
逻辑数: 逻辑运算

2.2　数据在存储器中的存放方式

大端与小端的存储方式.
由于不同的机器数据字长不同，每台机器处理的数据字长也不统一；

字节编址，数据在存储器中的存放方式（存储字长64
位，机器字长32位）

• 1. 从任意位置开始存储，
     

优点：不浪费存储资源
缺点：除了访问一个字节之外，访问其它任何类型的数据，
都可能花费两个存储周期的时间。读写控制比较复杂。

• 2, 从一个存储字的起始位置开始访问

优点：无论访问何种类型的数据，在一个周期内
均可完成，读写控制简单。

缺点：浪费了宝贵的存储资源

-3. 边界对准方式——从地址的整数倍位置开始访问

数据存放的起始地址是数据长度（按照编址单位
进行计算）的整数倍.

本方案是前两个方案的折衷，在一个周期内
可以完成存储访问，空间浪费也不太严重。

为了便于硬件实现，通常要求多字节的数据在存储器的存放方式能满足“边界对准”的要求。

2.3　操作类型

• 数据传送

压栈，将寄存器中的内容保存到内存单元中。

• 算术逻辑操作
  加、减、乘、除、增 1、减 1、求补、浮点运算、十进制运算
  与、或、非、异或、位操作、位测试、位清除、位求反

如 8086
ADD SUB MUL DIV INC DEC CMP NEG
AAA AAS AAM AAD
AND OR NOT XOR TEST

• 移位操作
  算术移位，　逻辑移位，

循环移位（带进位和不带进位）

2.4　转移指令

• 无条件转移 JMP

• 条件转移:
  结果为零转 （Z = 1） JZ
  结果溢出转 （O = 1） JO
  结果有进位转（C = 1） JC
  跳过一条指令 SKP;
  

• 调用和返回
  调用指令（CALL）一般与返回指令（RETURN）配合使用。
  

• 陷阱（Trap） 与陷阱指令

意外事故的中断:

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（隐指令）

设置供用户使用的陷阱指令
如 8086 INT TYPE 软中断
提供给用户使用的陷阱指令，完成系统调用

• 输入输出

输入和输出，是相对cpu 中的寄存器而言的。
入: 端口中的内容 CPU 的寄存器, 比如　IN AL, n; IN AL, DX；

出：　CPU 的寄存器 端口中的内容。
OUT n, AX OUT DX, AL；

3. 　寻址方式

寻址方式，
确定 本条指令 的 操作数地址
下一条要执行 指令 的 指令地址

寻址方式，

• 指令寻址，和
• 数据寻址；

3.1 　指令寻址

指令寻址中可分

• 顺序寻址：顺序寻址，可通过程序计数器PC加1，自动形成下一条指令的地址；
• 跳跃寻址：跳跃寻址，则通过转移类指令来实现。

顺序寻址，指令的地址保存在pc当中；

3.2　数据寻址

操作码	寻址特征	形式地址 A

形式地址:　指令字中的地址　
有效地址:　操作数的真实地址

以下各类数据寻址方式中，约定
指令字长 = 存储字长　 =　机器字长

3.2.1 立即寻址

形式地址 A 就是操作数，

• 指令执行阶段不访存
• A 的位数限制了立即数的范围

3.2.1 直接寻址

EA = A 　有效地址由形式地址直接给出

• 执行阶段访问一次存储器
• 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（必须修改A）

3.2.2 隐含寻址

寻址方式，隐藏在操作码当中，
操作数地址，隐含在操作码中。

MUL 指令 :被乘数隐含在 AX（16位）或 AL（8位）中

MOVS 指令: 源操作数的地址隐含在 SI 中
目的操作数的地址隐含在 DI 中

• 指令字中少了一个地址字段，可缩短指令字长.

3.2.3 间接寻址

EA =（A） 有效地址由形式地址间接提供.

操作数地址，保存在某一个内存单元当中。
即第一次，访问内存单元中，保存的是操作数地址，为什么要将操作数地址，存放在内存单元中的原因是，为了扩大地址的寻址范围。

• 间接寻址执行指令阶段有2次访存，
• 可以扩大寻址的范围，便于编制程序.
• 多次访存
  

3.2.4 寄存器直接寻址

EA = R, 有效地址即为寄存器编号.

• 执行阶段不访存，只访问寄存器，执行速度快.

• 寄存器个数有限，可缩短指令字长.

3.2.5 寄存器间接寻址

EA = ( Ri ), 有效地址在寄存器中.

• 有效地址在寄存器中， 操作数在存储器中，执行阶段访存.
• 便于编制循环程序

3.2.6 基址寻址

1. 采用专用寄存器作基址寄存器:
   基址寻址EA=（BR）+ A， BR为基址寄存器（专用）

• 可扩大寻址范围
  • 有利于多道程序
  • BR 内容由操作系统或管理程序确定
  • 在程序的执行过程中 BR 内容不变，形式地址 A 可变

2. 通用寄存器作为基址寄存器。

• 由用户指定哪个通用寄存器作为基址寄存器

• 基址寄存器的内容由操作系统确定
• 在程序的执行过程中 R0 内容不变，形式地址 A 可变

3.2.7 变址寻址

EA = (IX) + A

IX 为变址寄存器（专用）,
通用寄存器也可以作为变址寄存器.

• 可扩大寻址范围
  • 便于处理数组问题
  • IX 的内容由用户给定
  • 在程序的执行过程中 IX 内容可变，形式地址 A 不变

3.2.8　相对寻址

相对寻址EA = （PC）+ A，
A是相当于当前指令地址的位移量，可正可负，用补码表示。

• A 的位数决定操作数的寻址范围
  • 程序浮动
  • 广泛用于转移指令

3.2.19　堆栈寻址

堆栈;

硬堆栈，　多个寄存器；
软堆栈，　指定的存储空间；

先进后出（一个入出口)， 栈顶地址 由 SP 指出；

栈地址，　越往上越小，逐个减一，进栈后，地址上移。
进栈 （SP） – 1 SP, 出栈 （SP） + 1 SP

• SP 的修改与主存编址方法有关

堆栈寻址方式中，设A为累加器，SP为堆栈指示器，

4.　指令格式举例

设计指令格式时考虑的因素包括

• 指令系统的兼容性，

• 操作类型: 包括指令个数及操作的难易程度

• 数据类型: 确定哪些数据类型可参与操作

• 指令格式:指令字长是否固定,
  地址码位数、地址个数、寻址方式类型.
  操作码位数、是否采用扩展操作码技术，

• 寻址方式: 指令寻址、操作数寻址

• 寄存器个数:寄存器的多少直接影响指令的执行时间
  4

4.1 IBM360

4.2 Intel 8086

Ｂ：基址寄存器。
D是偏移地址，　X, 偏移地址寄存器。

5.　RISC　技术

RISC（Reduced Instruction Set Computer）
CISC（Complex Instruction Set Computer）
—— RISC技术

5.1 RISC 的产生原因

80-20规律是指典型程序中80%的语句仅仅使用处理机中20%的指令。

 典型程序中 80% 的语句仅仅使
用处理机中 20% 的指令.

 执行频度高的简单指令，因复杂指令
的存在，执行速度无法提高.

能否用 20% 的简单指令组合不常用的 80% 的指令功能

5.2 RISC 的主要特征

• 选用使用频度较高的一些 简单指令，
  复杂指令的功能由简单指令来组合.

 指令 长度固定、指令格式种类少、寻址方式少
 只有 LOAD / STORE 指令访存
 CPU 中设有 多个　通用　寄存器
 采用 流水技术 ，一个时钟周期 内完成一条指令
 采用 组合逻辑 实现控制器

5.3 CISC 的主要特征

• 系统指令 复杂庞大，各种指令使用频度相差大
   指令 长度不固定、指令格式种类多、寻址方式多
   访存 指令 不受限制
   CPU 中设有 专用寄存器
   大多数指令需要 多个时钟周期 执行完毕
   采用 微程序 控制器

5.4 RISC和CISC 的比较

1. RISC更能 充分利用 VLSI 芯片的面积
2. RISC 更能 提高计算机运算速度
   指令数、指令格式、寻址方式少，
   通用 寄存器多，采用 组合逻辑 ，
   便于实现 指令流水
3. RISC 便于设计，可 降低成本，提高 可靠性
4. RISC 不易 实现 指令系统兼容

现代处理器中
–RISC
–CISC
–RISC与CISC相结合