指令系统

重点 #

什么是指令系统，指令的格式及其各部分的含义；
操作数的寻址方式，每种寻址方式的有效地址的计算方法；
利用扩展操作码法进行变长操作码指令格式的设计；
什么是CISC、RISC，各自的主要特点。

概述 #

指令：指示计算机执行某种操作的命令。

指令系统（指令集）：一台计算机中所有机器指令的集合。

指令系统是和机器密切相关的，它体现了CPU的功能，不同CPU的指令系统是不同的。指令系统是计算机硬件与软件的接口。

指令系统设计主要是确定指令格式、数据类型、操作功能及操作数地址访问方式。基本过程如下：

首先拟出初步指令系统的设计及实现；
然后设计出指令系统的编译程序，进行模拟测试；
接着研究分析指令操作码、寻址方式的效能，进行指令系统的优化。

一、指令格式 #

一条指令由操作码和操作数地址码两部分组成。

一条指令一般应包含如下信息：

操作码：规定指令的操作及功能。
地址码：指明该指令的操作对象，可以是具体的数也可以是存放具体数的地址。
操作结果的存放地址：指令应明确操作的结果存放的位置。
下一条要执行指令的地址。

1、操作码 #

定长操作码：每条指令的操作码长度均相同。

优点：简化了计算机的硬件设计，提高了指令译码和识别速度。
缺点：可能会导致指令字长度过长。
适用于字长较长的大中型机计算机。例如IBM360/370系列，操作码（OP）为8位。

变长操作码：指令操作码的长度不全相同。将使用频率较高而地址码要求较多的指令用较少位表示操作码；对地址码位数要求较少的指令，用较多位表示操作码；对无操作数的指令，整个指令字均用作操作码。

优点：在比较短的指令字中，既能表示出比较多的指令条数，又能尽量满足操作数地址的要求。
缺点：计算机的硬件设计复杂，指令译码和执行速度较慢。

2、地址码 #

地址码指出操作数的存贮位置，也就是指出操作数的来源、去处。

操作数可能的存储位置：

在指令中：最快；
CPU内部的通用寄存器中：较快，与运算器速度匹配，例如：MOV R2，R1；
内存单元中：次之，与运算器速度不匹配，例如：MOV [R12]，R1；
外设接口中的寄存器中：最慢，较少使用，例如：IN PORT。

根据指令中地址码部分地址的个数划分，指令格式可分为以下几种：四地址指令、三地址指令、二地址指令、单地址指令、零地址指令。

3、指令字长 #

指令字长是一条指令中所包含的二进制位数，等于操作码长度与地址码长度之和。

指令字长与机器字长无固定关系，指令字长可以大于、等于、小于机器字长。考虑到指令存取方便，通常使指令字长与机器字长匹配。例如，单字长指令的指令字长等于机器字长；半字长指令的指令字长等于1/2机器字长；双字长指令的指令字长等于2倍机器字长。

4、变长操作码的设计 #

变长操作码的设计将操作码的设计与地址码的作为一个整体考虑，以形成高效、合理的指令编码。有些指令不用地址码或只用少量的地址码，因此可以把操作码扩展到这些地址码的位置，也称其为扩展操作码。在变长操作码中，较短的操作码不能为较长操作码的前缀。

例如，如果一个指令系统的操作码为2位，那么可以有00，01， 10，11这4条不同的指令。若把11作为保留，把操作码扩展到4位,那么除了有00,01,10外,还有1100,1101,1110,1111，共7条指令。

二、寻址方式 #

当一个操作数或一条指令存放在某个存储单元时，该存储单元的编号，就是该操作数或指令在存储器中的地址。形成操作数或指令地址的方式，称为寻址方式。寻址方式分为两类，即指令寻址方式和数据寻址方式。

1、指令寻址方式 #

顺序寻址方式：指令在内存中按地址顺序存储，当执行一段程序时，通常是一条指令接一条指令的执行，这种程序顺序执行的过程，称为指令的顺序寻址方式。使用程序计数器PC(又称指令指针寄存器IP)来记录指令的顺序号，该顺序号就是指令在内存中的地址。

转移寻址方式：所谓转移，是指下条指令的地址码不是由程序计数器PC给出，而是由本条指令给出。程序转移后，按新的指令地址开始顺序执行。当程序转移执行的顺序时，指令的寻址就采取转移寻址方式。

2、操作数的寻址方式 #

操作数的寻址就是寻找操作数的有效地址，其目的是寻找所需要的操作数。指令中地址码字段给出的地址为形式地址（此地址有时不能直接用于访问操作数，需经过某种运算才能得到有效地址）。

操作数通常有以下三种情况：

操作数在指令中：指令的地址码部分就是操作数本身，这种操作数称为立即数。
操作数在寄存器中：指令的地址码部分是某个寄存器，操作数就在该寄存器中。
操作数在内存中：指令的地址码部分是内存单元的地址，操作数就在该内存中。

约定：

EA：操作数的有效地址（Effective Address）
(X)：X中的内容，X为寄存器时，则表示寄存器中的内容，X为存储器时，则表示存储器中的内容
R：寄存器
M：存储器

立即寻址 操作数包含在指令中，操作数由指令直接给出，称为立即数寻址方式，简称立即寻址。

优点：取指令时将操作码和一个操作数同时取出，不必再次访问存储器，提高了指令的执行速度。
缺点：操作数是指令的一部分，不能被修改，灵活性差；而且数值大小受到限制

直接寻址 直接寻址是指指令字中的形式地址 A 就是操作数的有效地址 EA ，即 EA＝A 。按这个地址可直接在存储器中存入或取得操作数，因此通常把形式地址A又称为直接地址。如果用S表示操作数，那么S与地址码A的关系为：S＝(EA)＝(A)。

间接寻址 指令中的地址码部分给出的是存放操作数地址的内存单元的地址，这个地址叫做间接地址。其寻址方式称为间接寻址方式，简称间址。当采用一级间接寻址时，操作数 S 与指令格式中的地址码 A 的关系为：S=((A))。此外，还有多级间接寻址。

寄存器寻址 寄存器直接寻址：指令的地址码给出的是寄存器名/编号Ri，Ri 寄存器中存放操作数，则称为寄存器直接寻址。操作数S与指令格式中的Ri的关系为：S =(Ri)；寄存器间接寻址：寄存器间接寻址，是指令中地址字段的寄存器中存放的是操作数的地址。操作数S与指令格式中的Ri的关系为：S = ((Ri))。