【计算机组成原理】第四章·指令系统

1.指令系统

1.1.指令的基本格式

指令是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

指令格式：一条指令通常包括操作码字段（OP）和地址码字段两部分（A）组成

其中，操作码用于识别指令，地址码用于给出被操作信息的地址。指令字长与机器字长没有固定的关系，半字长指令，单字长指令则表明指令字长是机器字长的多少倍；根据指令中操作数地址码的数目不同，可以将指令分成以下类：

1.零地址指令

该指令无需知名操作数，只给出OP操作码；通常用于：1.无需操作数的指令（如空指令，停机指令）2.堆栈计算机中，操作数隐藏在栈顶和次栈顶，计算结果压入栈顶。

2.多地址指令

一地址指令： OP+A1  该指令通常用于：1.单操作数指令（自增自减求反补等）2.两个操作数，其中一个操作数隐含在寄存器中

二地址指令：OP+A1+A2  该指令用于有两个操作数的运算，需要分别给出目的操作数（A1）和源操作数（A2）

三地址指令：OP+A1+A2+A3  该指令通常用于两个操作数运算，并将结果放入A3中

四地址指令：OP+A1+A2+A3+A3  该指令在三地址指令的基础上，增加了下一条指令的地址（A4）

指令的操作类型有：1.数据传送 2.算数逻辑操作 3.移位操作 4.转移操作 5.IO操作

1.2.扩展操作码指令格式

在指令字长受限的情况下仍保持丰富的指令类型，通常采用变长操作码的方式，即指令操作码位数不固定且分散在指令字的不同位置上，这种方法使得译码和分析的难度增大，电路设计更复杂。常见的变长操作码的方式上扩展操作码，即采用定长指令结构+可变长操作码

例：指令字长为16位，地址码占4位  OP+A1+A2+A3

前四位基本操作码若全用于指令地址，则有16条指令，但将1111保留作扩展操作码，则三地址指令只有15条操作码

将1111 1111保留作扩展操作码，二地址指令有15条操作码

将1111 1111 1111保留作扩展操作码，一地址指令有15条操作码

而零地址指令包含全部16条指令操作码

注意：1.不允许短码是长码的前缀 2.各指令操作码不能重复 3.频率更高的指令应使用更短的操作码

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2.指令的寻址方式

2.1.指令寻址和数据寻址

2.1.1.指令寻址

指令寻址是指找到下一条将要执行的指令的地址，指令寻址的方式有两种：

1.顺序寻址：通过程序计数器PC+1（1个指令字长）自动形成下一条指令的地址

2.跳跃寻址：通过转移类指令给出下一条要指令的指令地址

2.1.2.数据寻址

数据寻址是指找到本条指令所指的数据地址，指令格式为：操作码+寻址特征+形式地址（A）；常见的有十种寻址类型：

1.直接寻址：EA=A，即指令字中的形式地址A是操作数的真实地址，该方法的优点是指令简单，在指令执行阶段只需访问一次主存，但灵活性差

2.间接寻址：EA=（A），即指令字中的形式地址A是操作数所在存储单元的地址，该方法优点是扩大寻址范围，便于编制程序，缺点是在指令执行阶段需要进行多次访存且访问速度过慢

3.寄存器寻址：EA=Ri，即指令中给出的形式地址是操作数所在寄存器的编号，优点在于执行阶段不访存且执行速度快，但是寄存器价格昂贵且个数有限

4.寄存器间接寻址：EA=（Ri），即寄存器中给出的是操作数所在主存单元的地址，比一般间接寻址更快，但指令的执行阶段需要访存

5.隐含寻址：指令中隐含操作数的地址，例如单地址指令ACC累加器运算操作，该优点是利于缩短指令字长，缺点在于需要增加存储操作数的硬件

6.立即寻址：指令中形式地址A就是操作数本身，立即寻址特征为#，该方法执行速度最短且不访存，但A的位数限制了立即数的范围

偏移寻址：

7.基址寻址：EA=（BR）+ A，将CPU中基址寄存器（BR）的内容加上指令中形式地址A形成操作数的有效地址，其中基址寄存器是面向操作系统的，其内容由操作系统决定。该方式的优点在于扩大寻址范围，利于多道程序设计，但偏移量A的位数较短

8.变址寻址：EA=（IX）+ A，将形式地址A与变址寄存器中的地址相加得到有效地址EA，变址地址是面向用户的，用户可以自行更改IX中的值作为偏移量，该方法的优点是扩大寻址范围，适合处理数组与循环程序且IX的位数足以表示整个存储空间

9.相对寻址：EA=（PC）+ A（PC=PC+1），即把程序计数器PC中的内容加上形式地址A形成新的有效地址，注意PC在取完指令后会自动执行+1，A为相对于PC的偏移量，用补码表示，该方法广泛运用于转移指令

堆栈寻址：

10.堆栈寻址：操作数放在堆栈中，隐含使用堆栈指针SP作为操作数地址（压栈出栈操作不同，进栈先压入数据（A）->Msp  后修改指针(SP)-1->SP，出栈先修改指针(SP)+1->SP  后弹出数据(Msp)->A）

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4.3.程序的机器级代码表示

见"函数栈桢的创建与销毁"