计算机组成原理（四）指令系统

指令格式

指令的基本格式

基本概念

• 一条指令就是机器语言的一个语句
• 一条指令通常包括操作码字段和地址码字段两部分

x 地址指令

根据指令中操作数地址码的数目的不同，可将指令分成：

零地址指令

只给出操作码 $OP$ ，没有显式地址。这种指令有两种可能：

• 不需要操作数的指令，如空操作指令、停机指令、关中断指令等。
• 参与运算的两个操作数隐含地从栈顶和次栈顶弹出，送到运算器进行运算，运算结果再隐含地压入堆栈。

一地址指令

给出操作码 $OP$ 和一个地址 $A_1$，这种指令也有两种可能：

• 只有目的操作数的单操作数指令，单目运算符，如自增、自减、取反，从 $A_1$ 取数进行OP操作后，结果存回原地址 $A_1$。

• 另一个操作数隐含在 ACC（累加器）中，运算结果也将存放在ACC中。

二地址指令

给出操作码 $OP$ 和两个地址 $A_1、A_2$

指令含义： $(A_1)OP(A_2)\to A_1$

三地址指令

给出操作码 $OP$ 和两个地址 $A_1、A_2、A_3$

指令含义： $(A_1)OP(A_2)\to A_3$

定长操作码指令格式

• 设计简单

• 指令译码和识别速度快

扩展操作码指令格式

为了在指令字长有限的前提下仍保持比较丰富的指令种类，可采取可变长度操作码

最常见的变长操作码方法是扩展操作码，它使操作码的长度随地址码的减少而增加，不同地址数的指令可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

指令的寻址方式

指令寻址

顺序寻址方式

• 程序的顺序结构
• 通过PC+1，自动形成下一条指令的地址

跳跃寻址方式

• 通过转移类指令实现（程序的循环、分支、子程序调用结构）
• 下条指令的地址码不由程序计数器给出，而由本条指令给出下条指令地址的计算方式

数据寻址

数据寻址是指如何在指令中表示一个操作数的地址，如何用这种表示得到操作数或怎样计算出操作数的地址

数据寻址的方式较多，为区别各种方式，通常在指令字中设一个字段，用来指明属于哪种寻址方式

常见的数据寻址方式

指令中的地址为 $A$ ，操作数真实地址为 $EA$

• 隐含寻址
  • 指令中不给出操作数地址，如单地址指令的另一个操作数隐藏在ACC中
  • 有利于缩短指令字长；
  • 需増加存储操作数或隐含地址的硬件。
• 立即寻址
  • 指令的地址字段就是操作数本身
  • 指令在执行阶段不访问主存，指令执行时间最短
  • A 的位数限制了立即数的范围
• 直接寻址
  • 指令字中的地址就是操作数的真实地址，$EA=A$
  • 指令在执行阶段仅访问一次主存，不需要专门计算操作数的地址
  • A 的位数限制了寻址范围
• 间接寻址
  • 指令的地址字段给出的形式地址不是操作数的真正地址，而是操作数有效地址所在的存储单元的地址，即 $EA=(A)$
  • 扩大寻址范围，但需要多次访存
• 寄存器寻址
  • 在指令字中直接给出操作数所在的寄存器编号，即 $EA=R_i$
  • 缩短地址字段，不需要访存
• 寄存器间接寻址
• 相对寻址
  • 把程序计数器 PC 的内容加上 A 形成 EA，即 $EA=(PC)+A$
  • 实质是"以下条指令在内存中的首地址为基准位置的偏移量"
  • 便于程序浮动，转移指令
• 基扯寻址
  • $EA=(BR)+A$ ，其中 $BR$ 是基址寄存器
  • 面向OS，主要实现逻辑地址到物理地址的转换
  • 程序浮动依靠基址寻址实现
• 变址寻址
  • $EA=(IX)+A$ ，其中 $IX$ 为变址寄存器
  • 面向用户，数组
• 堆栈寻址
  • 先把操作数压入栈中，用的时候再弹出，汇编语言中调用函数会采用这种方法

复杂指令系统计算机 CISC

**基本思想：**指令系统要完成基本功能和复杂的功能，所以指令数目多

• x86架构，主要用于笔记本、台式机

精简指令系统计算机 RISC

**基本思想：**指令系统只需要完成那些基本功能，复杂的功能由多条指令组合完成，所以指令数目少

• ARM架构，主要用于手机、平板（2020年苹果公司已经推出了基于ARM架构的macbook，我觉得RISC是未来的发展趋势）

CISC和RISC的比较

CISC	RISC
指令系统复杂，指令数目较多	只选取了使用频率最高的一些指令，指令数目少
各种指令使用频度相差很大	各种指令都比较常用
指令长度不固定	指令长度固定
寻址方式较多	寻址方式较少
通用寄存器较少	设有多个通用寄存器
必须采用流水线技术	不一定要求流水线技术（当然事实上现在的CISC计算机都采用了流水线技术）
各指令执行时间相差很大	大多数指令都在一个周期内完成
多采用微程序控制器	以硬布线控制器为主（组合逻辑控制）
难以使用编译优化	强调编译优化
没有限制	只有 Load/Store 指令访存（导致程序长度会更长）
具有更好的兼容性（因为老机器都是CISC结构）

一点问题

指令与指令系统？

• 指令（又称机器指令）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。
• 一台计算机中所有机器指令的集合，称为这台计算机的指令系统
• 引入指令系统后，避免了用户与机器语言直接接触，使得用户编写程序更为方便
• 指令系统（ISA）是计算机软件与硬件的界面

操作系统采用不同寻址方式的目的/好处/坏处？

• 缩短指令字长，扩大寻址空间，增加编程的灵活性
• 提高了指令译码难度

对于一个指令系统来说，寻址方式多和少有什么影响？

寻址方式的多样化能让用户编程更为方便，但多重寻址方式会造成CPU结构的复杂化（详见中央处理器章节），也不利于指令流水线的运行。而寻址方式太少虽然能够提高CPU的效率，但对于用户而言，少数几种寻址方式会使编程变得复杂，很难满足用户的需求。