指令系统

6.1 机器指令

指令的一般格式

• 操作码 + 地址码
  • 操作码
    • 可分为定长和变长
    • 变长的使用扩展操作码技术
  • 地址码
    • 四地址、三地址、二地址、一地址、零地址

指令字长

• 取决于操作码的长度、操作数地址的长度、操作数地址的个数
• 指令字长固定
  • 指令字长 = 存储字长
• 指令字长可变
  • 按字节的倍数变化

6.2 操作数类型和操作种类

操作数类型

• 地址、数字、字符、逻辑数

数据在存储器中的存放方式

• 字节次序
  • 大端法：高位字节存放在低位地址
  • 小端法：低位字节存放在低位地址
• 存储器中的数据存放
  • 边界对准、边界未对准

操作类型

• 数据传送
• 算数逻辑操作
• 移位操作
• 转移
  • 无条件转移 JMP
  • 条件转移
  • 调用和转移
  • 陷阱/陷阱指令
    • 意外事故的中断
    • 一般不提供给用户直接使用
      • 在出现事故时，由CPU自动产生并执行（隐指令）
    • 设置供用户使用的陷阱指令
• 输入输出
  • IO单独编址

6.3 寻址方式

指令寻址

• 顺序
  • PC++
• 跳跃
  • 由转移指令指出

数据寻址

操作码

寻址特征

形式地址A

形式地址A：指令字中的地址

有效地址EA：操作数的真实地址

• 立即寻址
• 直接寻址
  • EA = A
  • 执行阶段访存一次
  • A 的位数决定了该指令操作数的寻址范围
• 隐含寻址
  • 操作数地址隐含在操作码中
  • 指令字中少了一个地址字段，可缩短指令字长
• 间接寻址
  • EA = (A)
  • 一次间址
    • 执行指令阶段2次访存
    • 可扩大寻址范围
    • 便于编址程序
  • 多次间址
    • 多次访存
    • 首位标志间址是否结束，所以寻址范围较一次间址少一位
• 寄存器寻址
  • 执行阶段不访存，只访问寄存器，执行速度快
  • 寄存器个数有限，可缩短指令字长
• 寄存器间接寻址
  • bala
• 基址寻址
  • 采用专用寄存器作基址寄存器
    • EA = (BR) + A
      BR为基址寄存器
    • 在程序的执行过程中BR内容不变，形式地址A可变
  • 采用通用寄存器作基址寄存器
    • EA = (R0) + A
    • 在程序的执行过程中R0内容不变，形式地址A可变
• 变址寻址
  • EA = (IX) + A
    IA为变址寄存器(专用)
  • 在程序的执行过程中IX内容可变，形式地址A不变
  • 便于处理数组问题
• 相对寻址
  • EA = (PC) + A
  • A是相对于当前指令的位移量（可正可负，补码）
  • 便于编写浮动程序
• 堆栈寻址
  • 栈顶地址由SP指出

6.4 指令格式

设计指令格式应考虑的各种因素

• 指令系统的兼容性（向上兼容）
• 操作类型、数据类型、指令格式、寻址方式、寄存器个数

常见的指令格式

RISC：精简指令系统计算机
CISC：复杂指令系统计算机

• Intel 8086指令格式（CISC）
  • 指令字长：1~6个字节
  • 地址格式：零地址、一地址、二地址
• MIPS指令格式（RISC）
  • 有且只有3种指令格式：R型指令、I型指令、J型指令
• ARM指令系统（RISC）
  • 32位的ARM指令集和16位的Thumb指令集，并能够无缝切换

• RISC和CISC的比较

  RISC	CISC
  只实现使用频率较高的一些简单指令 复杂指令的功能由简单指令来组合	系统指令复杂庞大，各种指令使用频率相差大
  指令长度固定、指令格式种类少、寻址方式少	指令长度不固定、指令格式种类多、寻址方式多
  只有LOAD/STORE指令访存	访存指令不受限制
  CPU中有多个通用寄存器	CPU中设有专用寄存器
  采用流水技术、一个时钟周期内完成一条指令	大多数指令需要多个时钟周期执行完毕
  采用组合逻辑实现控制器	次啊用微程序控制器
  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