机组 指令系统
机器指令
机器指令：每一条机器语言的语句
指令系统：全部机器指令的集合
指令的一般格式
指令由操作码和地址码两部分组成
操作码
作用：指明该指令要完成的操作
位数：反映机器的操作种类，即机器允许的指令条数
长度：可以是固定的，可以是变化的
- 固定长度：操作码集中放在指令字的一个字段内，便于硬件设计，指令译码时间短，广泛用于字长较长的、大中型计算机和超级小型计算机以及 RISC
- 不固定长度：操作码分散在指令字的不同字段，有效地压缩操作码地平均长度，在字长较短地微型计算机中被广泛使用
n 地址指令的操作码的高位不可以复用 n+1 地址指令的操作码
尽量安排指令使用频度高的指令占用短的操作码，对使用频度低的指令可占用较长的操作码，以缩短经常使用的指令的译码时间
地址码
作用：指出该指令的源操作数的地址（一个或两个）、结果的地址以及下一个指令的地址【地址：主存的地址、寄存器的地址、I/O 设备的地址】
四地址指令
（A1）OP（A2）—>（A3）
若地址字段均指示主存的地址，完成一条四地址指令，需访存四次，取指令一次，取操作数两次，存放结果一次
三地址指令
（A1）OP（A2）—>（A3）
后续指令的地址隐含在程序计数器 PC 中
若地址字段均指示主存的地址，完成一条四地址指令 四次访存
二地址指令
（A1）OP（A2）—>（A1） A1 字段既代表源操作数的地址，又代表存放本次运算结果的地址 四次访存
（A1）OP（A2）—>（A2） A2 字段既代表源操作数的地址，又代表中间结果的存放地址 四次访存
（A1）OP（A2）—>ACC 中间结果暂存于累加器 ACC 中 三次访存（取指、取操作数、取操作数 ）
一地址指令
（ACC）OP（A1）—>ACC ACC 既存放参与运算的操作数，又存放运算的中间结果 两次访存（取指、取操作数）
零地址指令
零地址指令在指令中无地址码
空操作 NOP、停机 HLT ……这类指令只有操作码
子程序返回 RET、中断返回 IRET ……这类指令没有地址码，其操作数的地址隐含在堆栈指针 SP 中
注意
硬件资源（PC、ACC……）承担指令字中需指明的地址码，在不改变指令字长的前提下，扩大指令操作数的直接寻址范围，缩短指令字长，减少访存次数
地址字段可用来表示寄存器。当 CPU 中含有多个通用寄存器时，对每个寄存器赋予一个编号，便可指明源操作数和结果存放在的寄存器，地址字段表示寄存器也有三地址、二地址、一地址之分，其共同点是，在指令的执行阶段都不必访问存储器，直接访问寄存器，提高机器运行速度 一次访存（取指）
指令字长
决定因素：操作码的长度、操作数地址的长度和操作数地址的个数
不同机器的指令字长不同
操作
操作数类型
操作类型
寻址方式
定义：指确定本条指令的数据地址以及下一条将要执行的指令地址的方法
与硬件结构紧密相关，直接影响指令格式和指令功能
分类：指令寻址、数据寻址
指令寻址
分类：顺序寻址、跳跃寻址
顺序寻址：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
数据寻址方式种类多，在指令字中必须设一字段指明属于哪一种寻址方式
形式地址 A：指令的地址码字段，通常不表示操作数的真实地址
有效地址 EA：操作数的真实地址，由寻址方式和形式地址共同确定
立即寻址
特点：操作数本身设在指令字内，形式地址 A 不是操作数的地址，而是操作数本身，称为立即数，数据采用补码形式存放
“#”表示立即寻址特征标记
优点：只要取出指令，便可立即获得操作数，指令执行阶段不必再访问存储器
缺点：A 的位数限制了这类指令所表述的立即数的范围
访存：一条指令的执行，不考虑存结果，访存一次（取指令）
直接寻址
特点：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：寻找操作数比较简单，不需要专门计算操作数的地址，在指令执行阶段对主存只访问一次
缺点：A 的位数限制了操作数的寻址范围，必须修改 A 的值，才能修改操作数的地址
访存：一条指令的执行，不考虑存结果，访存两次（取指令，取操作数）
隐含地址
特点：指令字中不明显地给出操作数的地址，其操作数的地址隐含再操作码或某个寄存器中
优点：有利于缩短指令字长
间接寻址
特点：有效地址由形式地址间接提供 EA=(A)
多次间接寻址时，可用存储字的首位标志间接寻址是否结束，当存储字首位为“1”时，标明还需继续访存寻址；当存储字首位为“0”时，标明该存储字即为 EA，存储字的首位不能作为 EA 的组成部分
优点：扩大了操作数的寻址范围【因为 A 的位数通常小于指令字长，存储字长可以与指令字长相等】，便于编制程序
缺点：指令的执行阶段需要访存两次（一次间接寻址）或多次（多次间接寻址），使指令执行时间延长
寄存器寻址
特点：地址码字段直接指出寄存器的编号 EA=Ri ，操作数在由 Ri 所指的寄存器内
优点：因为操作数不在主存中，所以寄存器寻址在指令执行阶段无须访存，减少了执行时间；由于地址字段只需指明寄存器编号，故指令字较短，节省了存储空间
访存：指令执行阶段不需要访存
寄存器间接寻址
特点：Ri 中的内容不是操作数，而是操作数所在主存单元的地址号，即有效地址 EA=（Ri）
访存：比间接寻址少访存一次，指令的执行阶段需要访存
基址寻址
特点：设基址寄存器 BR，其操作数的有效地址 EA 等于指令字中的形式地址与基址寄存器中内容相加，即 EA=A+(BR)
分类：隐式、显式
- 隐式：在计算机内专门设有一个基址寄存器 BR，使用时用户不必明显指出该基址寄存器，只需由指令的寻址特征位反映出基址寻址即可
- 显式：在一组通用寄存器里，由用户明确指出哪个寄存器作为基址寄存器，存放基地址
优点：扩大操作数的寻址范围（基址寄存器的位数可以大于形式地址 A 的位数）
基址寻址在多道程序中极为有用，操作系统或管理程序根据主存的使用状况，赋予基址寄存器内一个初始值（基地址），便可将用户程序的逻辑地址转换为主存的物理地址（实际地址），把用户程序安置于主存的某一空间区域
在程序执行过程中，用户不知道自己的程序在主存的哪个空间，用户不可修改基址寄存器的内容，以确保系统安全可靠地运行
变址寻址
特点：有效地址 EA 等于指令字中的形式地址 A 与变址寄存器 IX 的内容相加之和，即 EA=A+(IX)
变址寻址和基址寻址的区别：
- 基址寻址：主要用于为程序或数据分配存储空间，基址寄存器中的内容通常由操作系统或管理程序确定，在程序的执行过程中其值不可变，而指令字中的 A 是可变的
- 变址寻址：变址寄存器的内容由用户设定，在程序执行过程中其值可变，而指令字中的 A 是不可变的。变址寻址主要用于处理数组问题，在数组处理过程中，可设定 A 为数组的首地址，不断改变变址寄存器 IX 的内容，便可很容易形成数组中任一数据的地址，特别适合编制循环程序
变址寻址与其他寻址方式结合：
- 变址寻址与基址寻址合用：EA=A+(IX)+(BR)
- 变址寻址与间接寻址合用：形成变址后间址或先间址再变址
相对寻址
特点：有效地址是将程序计数器 PC 的内容（即当前指令的地址）与指令字中的形式地址 A 相加而成，即
EA=(PC)+A
相对寻址常被用于转移类指令，转移后的目标地址与当前指令有一段距离，称为相对位移量，由指令字的形式地址 A 给出，A 称为位移量【A可正可负，通常用补码表示】
若位移量为 8 位，则指令的寻址范围为 (PC)+127~(PC)-128
最大特点：转移地址不固定，可随 PC 值的变化而变
相对寻址可与间接寻址配合使用
堆栈寻址
堆栈寻址要求计算机中设有堆栈
堆栈既可用寄存器组（硬堆栈）实现，也可利用主存的一部分空间作堆栈（软堆栈）
堆栈的运行方式为先进后出和先进先出两种
RISC 技术
RISC 精简指令系统计算机
CISC 复杂指令系统计算机
RISC 主要特点
- 选取使用频度较高的一些简单指令以及一些很有用但不复杂的指令，让辅助指令的功能由频度高的简单指令的组合实现 指令系统复杂庞大，各种指令使用频度相差很大
- 指令长度固定，指令格式种类少，寻址方式种类少 指令字长不固定，指令格式多，寻址方式多
- 只有取数/存数（LOAD/STORE）指令访问存储器，其余指令的操作都在寄存器内完成 可以访存的指令不受限制
- CPU 中有多个通用寄存器 CPU中设有专用寄存器
- 采用流水线技术，大部分指令在一个时钟周期内完成。采用超标量和超流水线技术，可使每条指令的平均执行时间小于一个时钟周期 绝大多数指令需要多个时钟周期方可执行完毕
- 控制器采用组合逻辑控制，不用微程序控制 采用微程序控制器
- 采用优化的编译程序 难以用优化编译生成高效的目标代码
紫色是 CISC 的特点