计算机组成原理|第七章(笔记)

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上篇：第六章、计算机的运算方法

第七章 指令系统

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7.1 机器指令

计算机能解题是由于机器本身存在一种语言，它既能理解人的意图，又能被机器自身识别。机器语言是由一条条语句构成的，每一条语句又能准确表达某种语义。计算机就是连续执行每一条机器语句而实现全自动工作的。人们习惯把每一条机器语言的语句叫机器指令，而又将全部机器指令的集合叫做机器的指令系统。因此机器的指令系统集中反映了机器的功能。

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7.1.1 指令的一般格式

指令是由操作码和地址码两部分组成：

1. 操作码

操作码是用来指明该指令所要完成的操作，如加法、减法、传送、移位、转移等等。通常，其位数反映了机器的操作种类，也即机器允许的指令条数，如操作码占 7 位，则该机器最多包含 2⁷=128 条指令。

操作码长度可以是固定的，也可以是变化的：

• 操作码长度固定：将操作码集中放在指令的一个字段内，这种格式便于硬件设计，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 中。如： IBM370 和 VAX-11 系列机
• 操作码长度不固定：其操作码分散在指令字的不同字段中，这种格式可有效地压缩操作码的平均长度，在字长较短的微机中被广泛采用。如：PDP-11，Inter18086/80386 等

为了支持操作码的长度可变，通常采用扩展操作码技术 。

扩展操作码技术 能够使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。

扩展方法有两种：

• 方式一：保留一个编码的码点作为扩展标志
• 方式二：利用操作码当中某一位作为扩展标志

以方式一进行举例来探究操作码如何进行扩展：

图中指令字长为 16 位，其中 4 位为基本操作码字段 OP，另外三个 4 位长的地址字段为 A₁、A₂、A₃。如果不采用扩展操作码技术，可以根据 OP 的字节长度计算出操作码最多只能有 2⁴ 条，根本无法满足计算机系统编写复杂程序的要求，所以指令必须进行扩展。当操作码 4 位时，从 0000 ~ 1111 有 16 种编码，可以将 0000 ~ 1110 这 15 个编码作为指令，剩下一个 1111 作为扩展标志，如果前 4 个编码为 1111 时，则表明这条指令操作码长度至少为 8 位，依次类推，可以看出随着地址数的减少，操作码增加。扩展标志可以有多个，比如将 1110 也作为扩展标志的话，那么指令的个数也会随之增加。

在设计操作码不固定的指令系统时，应尽量考虑安排指令使用频度（即指令在程序中出现的概率）高的指令占用短的操作码，对使用低的指令可占用较长的操作码，以缩短经常使用的指令译码时间。

2. 地址码

地址码用来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条指令的地址。这里的 “地址” 可以是主存的地址，也可以是寄存器的地址，甚至可以是IO设备的地址。

（1）四地址指令

• OP 为操作码
• A₁ 为第一操作数地址
• A₂ 为第二操作数地址
• A₃ 为结果地址
• A₄ 为下一条指令的地址

该指令完成 (A1) OP (A2) —> A3 操作，会进行 4 次访存。假设指令字长为 32 位，操作码固定 8 位，4 个地址字段各占 6 位，则指令的直接寻址范围是 2⁶=64，这么短的地址码，如果是寄存器尚且可行，如果是内存的话，这样的指令几乎是不可用的，那要如何通过减少地址码的个数来增加地址码的长度，从而增加寻找范围。

因为程序种大多数指令是按顺序执行的，而程序计数器 PC 既能存放当前欲执行指令的地址，又有计数功能，因此它能自动形成下一条指令的地址，这样，指令中的第四地址字段 A₄ 便可省去，即得三地址指令格式。

（2）三地址指令

它完成 (A1) OP (A2) —> A3 操作，也会进行 4 次访存。但是由于地址吗个数减少，每个地址字段各占 8 位，其寻址范围也变成了 2⁸=256。

其实，机器在运行过程中，没有必要将每次运算结果都存入主存，中间结果可以暂时存放在 CPU 的寄存器（如 ACC ）中，这样又可省去一个地址字段 A₃，从而得出二地址指令。

（3）二地址指令

它进行的操作是 (A1) OP (A2) —> A1 或者 (A1) OP (A2) —> A2，仍需进行 4 次访存。但是地址码从 3 个变为 2 个，每一个地址码的长度从 8 位增加到 12 位，寻址范围变为 2¹²=4K。

如果将一个操作数的地址隐含在运算器的 ACC 中，则指令字中只需给出一个地址码，构成了一地址指令。

（4）一地址指令

其执行的操作为 (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，这样，完成一条一地址指令只需 2 次访存，其寻址范围达到 2²⁴=16M。

在指令系统中，还有一种指令可以不设地址字段，即所谓零地址指令。

（5）零地址指令

零地址指令在指令字中无地址码，例如进栈（PUSH）、出栈（POP）这类指令，其操作数的地址隐含在堆栈指针 SP 中。

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7.1.2 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 。不间机器的指令字长是不相同的。

早期计算机指令字长是 固定的，指令字长可以等于存储字长。随着计算机的发展，指令字长 可变，通常情况下长度的变化都是按字节倍数变化。

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7.2 操作数类型和操作类型

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7.2.1 操作数类型

机器中常见的操作数类型有：

• 地址：可被认为是一个无符号整数
• 数字：定点数、浮点数和十进制数
• 字符：在应用计算机时，文本或字符串也是一种常见的数据类型，由于计算机在处理信息过程中不能以简单的字符形式存储和传送，因此普遍采用 $ASCⅠⅠ$ 码，它是很重要的一种字符编码
• 逻辑数据：计算机除了作算术运算外，有时还需作逻辑运算，此时 $n$ 个 0 和 1 的组合不是被看作算术数字，而是看作逻辑数

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7.2.2 数据在存储器中的存放方式

在 第四章、存储器 有提到过，主存中数据的存放可以按照：① 以高位字节地址为字地址；② 以低位字节地址为字地址。两种方式进行存放。

其中 (a) 表示低字节为低地址，(b) 表示高字节为低地址。

由于不同的数据字长不同，每台机器处理的数据字长也不统一，在内存要如何进行存储呢？

• 从任意位置开始存储
  

  • 优点：不浪费存储资源
  • 缺点：读写控制比较复杂，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

• 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

• 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
  • 该方案是前两个方案的折中，在一个周期内可以完成存储访问，也减少了存储空间的浪费

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7.2.3 操作类型

不同的机器操作类型也是不同的，但几乎所有的机器都有以下几类通用的操作。

1. 数据传送

数据传送包括寄存器与寄存器、寄存器与存储单元、存储单元与存储单元之间的传送。如从源到目的之间的传送、对存储器读（LOAD）和写（STORE）、交换源和目的的内容、置 1、清 0 、进栈、出栈等。

2. 算术逻辑操作

这类操作可实现算术运算（加、减、乘、除、增1、减1、取负数即求补）和逻辑运算（与、或、非、异或）。对于低档机而言，一般算术运算只支持最基本的二进制加减、比较、求补等，高档机还能支持浮点运算和十进制运算。

有些机器还具有位操作功能，如位测试（测试指定位的值）、位清除（清除指定位）、位求反（对指定位求反）等。

3. 移位

移位可分为算术移位、逻辑移位和循环移位三种。

4. 转移

在多数情况下，计算机是按顺序执行程序的每条指令的，但有时需要改变这种顺序，此刻可采用转移类指令来完成。转移指令按其转移特征又可分为无条件转移、条件转移、跳转、过程调用与返回、陷阱（Trap）与陷阱指令等几种。

5. 输入输出

对于 IO 单独编址的计算机而言，通常没有输入输出指令，它完成从外设中的寄存器读入一个数据到 CPU 的寄存器内，或将数据从 CPU 的寄存器输出至某外设的寄存器中。

6. 其它

其他包括等待指令、停机指令、空操作指令、开中断指令、关中断指令、置条件码指令等等。

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7.3 寻址方式

寻址方式是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，它与硬件结构紧密相关，而且也直接影响指令格式和指令功能。

寻址方式分为指令寻址和数据寻址两大类。

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7.3.1 指令寻址

指令寻址可分为：

• 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：通过转移类指令实现

如果程序的首地址为 0，只要先将 0 送至程序计数器 PC 中，启动机器运行后，程序便按0、1、2、3、7、8、… 序执行。其中第1、2、3号指令地址均由 PC 自动形成。因第 3 号地址指令为 JMP 7， 故执行完第 3 号指令后，便无条件将 7 送至 PC，因此，此刻指令地址跳过 4、5、6三条，直接执行第 7 条指令，接着又顺序执行第 8 条、第 9 条等等指令。

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7.3.2 数据寻址

数据寻址方式种类较多，在指令字中必须设一字段来指明属哪一种寻址方式。指令的地址码字段，通常都不代表操作数的真实地址，把它称作形式地址，记作 A。操作数的真实地址叫做有效地址，记作 EA，它是由寻址方式和形式地址共同来确定的。

为了便于分析研究各类寻址方式，假设指令字长、存储字长、机器字长均相同。

1. 立即寻址

立即寻址的特点是操作数本身设在指令字内，即形式地址 A 不是操作数的地址，而是操作数本身，又称之为立即数。

它的优点在于只要取出指令，便可立即获得操作数，这样指令在执行阶段不必再访问存储器。

2. 直接寻址

直接寻址的特点是，抬令字中的形式地址 A 就是操作数的真实地址 EA
$$EA=A$$

它的优点是寻找操作数比较简单，也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。它的缺点在于 A 的位数限制了指令的寻址范围，而且必须修改 A 的值，才能修改操作数的地址。

3. 隐含寻址

隐含寻址是指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在操作码或某个寄存器中。

例如，一地址格式的加法指令只给出一个操作数的地址，另一个操作数隐含在累加器 ACC 中，这样累加器 ACC 成了另一个数
的地址。

由于隐含寻址在指令字中少了一个地址，因此，这种寻址方式的指令有利于缩短指令字长。

4. 间接寻址

倘若指令字中的形式地址不直接指出操作数的地址，而是指出操作数有效地址所在的存储单元地址，也就是说，有效地址是由形式地址间接提供的，故为间接寻址。即
$$EA=(A)$$

这种寻址方式与直接寻址相比，它扩大了操作数的寻址范围，其第二个优点在于它便于编制程序，不过间接寻址的指令执行阶段需要访存两次（一次间址）或多次（两次间址），致使指令执行时间延长。

5. 寄存器寻址

在寄存器寻址的指令字中，地址码字段直接指出了寄存器的编号，即 $EA=R_i$

其操作数在由 $R_i$ 所指的寄存器内。由于操作数不在主存中，故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（计算机中寄存器数有限），故指令字较短，节省了存储空间，因此寄存器寻址在计算机中得到广泛应用。

6. 寄存器间接寻址

$R_i$ 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 $EA=(R_i)$。与寄存器寻址相比，指令的执行阶段还需访问主存。与图 一次间址 相比，因有效地址不是存放在存储单元中，而是存放在寄存器中，故称其为寄存器间接寻址，它比间接寻址少一次访存。便于编写循环程序。

7. 基址寻址

基址寻址需设有基址寄存器 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的内容（称作基地址）相加。即：
$$EA=A+(BR)$$

基址寄存器可采用 隐式 的和 显式 的两种。所谓隐式是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。显式是在一组通用寄存器里，由用户明确指出哪个寄存器用作基址寄存器，存放基地址。

基址寻址可以扩大指令对主存的寻址范围，在多道程序和浮动程序编制时极为有用。

8. 变址寻址

变址寻址与基址寻址极为相似。其有效地址 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
$$EA=A+(IX)$$

显然只要变址寄存器位数足够，也可扩大指令的寻址范围，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 不可变，便于处理数组问题。

9. 相对寻址

相对寻址的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
$$EA=A+(PC)$$

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，叫做相对位移量，它由指令字的形式地址 A 给出，故 A 又可称位移量，位移量 A 可正可负。

相对寻址的最大特点是转移地址不固定，它可随 PC 值的变化而变，因此，无论程序在主存的哪段区域，都可正确运行，对于编写浮动程序特别有利，广泛应用于转移指令。

10. 堆栈寻址

在堆栈寻址的指令字中没有形式地址码字段，它是一种零地址指令。堆栈寻址要求计算机中设有堆栈。

堆栈一般可分为 硬堆栈（用寄存器组来实现） 和 软堆栈（利用主存的一部分存储空间实现）。

堆栈的运行方式为先进后出或先进先出两种，先进后出型堆栈的操作数只能从一个个进行读或写。

以软堆栈为例，可用堆栈指针 SP（Stack Point）指出栈顶地址，也可用 CPU 中一个或两个寄存器作为 SP。 操作数只能从栈顶地址指示的存储单元存或取。可见堆栈寻址也可视为一种隐含寻址，其操作数的地址总被隐含在 SP 中。堆栈寻址就其本质也可视为寄存器间址，因 SP 可视为寄存器，它存放着操作数的有效地址。

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7.4 指令格式举例

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7.4.1 设计指令格式时应考虑的各种因素

1. 兼容性：即高档机必须能兼容低档机的程序运行，称之为 “向上兼容”
2. 其它因素：
   • 操作类型：包括指令个数及操作的难以程度
   • 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，包括指令字长、操作码位数、地址码位数、地址个数、寻址方式以及指令字长和操作码位数是否可变等
   • 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

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7.4.2 指令格式举例

1. IBM 360

IBM360属系列机，所谓系列机是指其基本指令系统相同，基本体系结构相同的一系列计算机，IBM370 对 IBM360 是向上兼容的。

IBM 360/370 指令格式

2. Interl 8086

Intel 8086/80486 系列微机的指令字长为 1 ~ 6 个字节，即不定长。如零地址格式的空操作指令 NOP 只占一个字节;地址格式的 CALL 指令可以是 3 字节（段内调用）或5字节（段间调用）；二地址格式指令中的两个操作数，既可以是寄存器一寄存器型、寄存器—存储器型，也可以是寄存器一立即数型或存储器一立即数型，它们所占的字节数分别为2、2 ~ 4、2 ~ 3、 3 ~ 6个字节。

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7.5 RISC 技术

RISC 是精简指令系统计算机的英文缩写，即Reduced Instruction Set Computer，与其对应的是 CISC，即复杂指令系统计算机(Complex Instruction Set Computer)。

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7.5.1 RISC 的产生和发展

计算机发展至今，硬件功能越来越强，但也越来越复杂。为了节省开销，人们希望新机种能兼容旧机种的软件，于是出现了同类型的系列机。然而，随着指令系统的发展，机器指令变得越来越复杂，导致编译器编写和代码执行效率下降。人们发现典型程序中只有 20% 的指令被频繁使用，而这些指令都是简单指令。因此，复杂指令的增加并不能提高执行速度。为解决这些问题，人们开始研究 CISC，并发现了 80-20 规律。

• 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

人们从 80-20 规律中得到启示：能否仅仅用最常用的 20% 的简单指令，重新组合不常用的 80% 的指令功能呢？这便引发出 RISC 技术。

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7.5.2 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

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7.5.3 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

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7.5.4 RISC和CISC的比较

• RISC 更能充分利用 VLSI 芯片的面积
• RISC 更能提高计算机运算速度
• RISC 便于设计，可降低成本，提高可靠性
• RISC 有效支持高级语言程序
• RISC 不易实现指令系统兼容

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