第四章 指令系统

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
一台计算机的所有指令的集合构成该机的指令系统，也成为了指令集
一台计算机只能执行自己指令系统中的指令，不能执行其他系统的指令

指令的一般格式
操作码字段（OP） + 地址码字段（A）
操作码反应机器做什么操作
地址码反应对谁进行操作

地址码的数目
1、四地址指令
设指令字长32位，操作码8位，4个地址码字段各占6位
设存储字长32位，即4B
指令含义：（A1）OP（A2）-》A3，A4为下一条将要执行指令的地址

Ai可直接表示2 ^ 6 = 64个不同的位置，共四次访存（取指令+取两个操作数+存回结果）

2、用程序计数器PC代替A4——三地址指令
3个地址码字段各占8位，指令操作数直接寻址范围为2 ^ 8 = 256，完成一条指令需要访存4次
指令含义：（A1）OP（A2）-》A3

3、将A3存到A2或者A1当中——二地址指令
2个地址码字段各占12位，指令操作数直接寻址范围为2 ^ 12 = 4K，完成一条指令需要访存4次
若将结果暂存ACC中，则需访存3次
指令含义：（A1）OP（A2）-》A1

4、一地址指令
1个地址码字段占24位，指令操作数直接寻址范围为2 ^ 24 = 16M
指令含义：
①、OP（A1）-》A1，如加1、减1、取反、求补等，需访存3次
②、（ACC）OP（A1）-》ACC，隐含约定目的地址为ACC，需访存2次

5、零地址指令
指令含义：
①、不需要操作数，如空操作、停机、关中断等指令
②、堆栈计算机，两个操作数隐含存放在栈顶和次栈顶，并将结果压到栈顶

定长操作码
指令字的最高位部分分配固定的若干位表示操作码 n位 -》2 ^ n条指令
简化了计算机硬件设计，提高指令译码和识别速度

扩展操作码
短操作码不能与长操作码的前面部分的代码相同
各指令的操作码一定不能重复

操作数类型
1、地址：无符号整数
2、数字：定点数、浮点数、十进制数
3、字符：ASCii
4、逻辑数：逻辑运算

数据的存放方式：

寻址方式
寻找指令或者操作数的有效地址的方式
即确定本条指令的操作数地址或者下一跳欲执行指令的指令地址

1、指令寻址：
指令的地址始终由程序计数器PC给出
①、顺序寻址 （PC） + 1 -》 PC
②、跳跃寻址 由转移指令指出

2、数据寻址

形式地址：指令字中的地址
有效地址：操作数的真实地址
寻址特征：寻址方式字段
以下约定指令字长 = 机器字长 = 存储字长

①、隐含寻址：不是明显地给出操作数的地址，而是在指令当中隐含着操作数的地址
优点：缩短指令字长
缺点：需增加存储操作数或隐含地址的硬件

②、立即寻址：形式地址A即为操作数，又称为立即数，一般采用补码形式
取指令访存1次，执行指令访存0次，暂不考虑存结果——共访存1次
优点：指令执行阶段不访问主存，指令执行时间最短
缺点：A的位数限制了立即数的范围

③、直接寻址：指令字中的形式地址A就是操作数的真实地址，即EA = A
取指令访存1次，执行指令访存1次，暂不考虑存结果——共访存2次
优点：简单，指令执行阶段仅访问一次主存
缺点：A的位数决定了该操作数的寻址范围，操作数的地址不易修改

④、间接寻址：指令的地址字段给出的形式地址不是操作数真正地址，而是操作数有效地址所在的存储单元的地址，也就是操作数地址的地址，即EA = （A）
取指令访存1次，执行指令访存2次，暂不考虑存结果——共访存3次
优点：扩大寻址范围，便于编制程序
缺点：指令在执行阶段要多次访存

⑤、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 = Ri，操作数在Ri所指的寄存器中
取指令访存1次，执行指令访存0次，暂不考虑存结果——共访存1次
优点：指令在执行阶段不访问主存，只访问寄存器，指令字短且执行速度快
缺点：寄存器价格昂贵，计算机中寄存器个数有限

⑥、寄存器间接寻址：寄存器Ri中给出的不是一个操作数，而是操作数所在主存单元的地址，即EA = （Ri）
取指令访存1次，执行指令访存1次，暂不考虑存结果——共访存2次
特点：比一般间接寻址相比速度更快，但执行阶段需要访问主存

⑦、基址寻址：将CPU中基址寄存器（BR）的内容加上指令格式中的形式地址A，形成操作数的有效地址，即EA = （BR）+ A
基址寄存器面向操作系统，其内容由操作系统或管理程序确定。在程序执行过程中，基址寄存器中的内容不变（作为基地址），形式地址可变（作为偏移量）
优点：可扩大寻址范围；用户不必考虑自己的程序存于主存哪一空间区域，故有利于多道程序设计，以及可用于编制浮动程序


⑧、变址寻址：有效地址EA等于指令字中形式地址A与变址寄存器IX的内容相加之和，即EA = （IX）+ A，其中IX为变址寄存器（专用），也可用通用寄存器作为变址寄存器
变址寄存器是面向用户的，在程序执行过程中，变址寄存器的内容可由用户改变（作为偏移量），形式地址A不变（作为基地址）
优点：可扩大寻址范围，在数组处理过程中，可设定A为数组的首地址，不断改变变址寄存器IX的内容，便可很容易形成数组中任一数据的地址，特别适合编制循环程序

变址寻址与基址寻址配合使用：EA = A +（BR）+（IX）
先变址后间址：EA = （A +（IX））
先间址后变址：EA = （A）+（IX）

⑨、把程序计数器PC的内容加上指令格式中的形式地址A而形成操作数的有效地址，即EA = （PC）+A，其中A是相对于当前指令地址的位移量，可正可负，补码表示
优点：操作数的地址不是固定的，它随着PC值的变化而变化，并且与指令地址之间总是相差一个固定值，因此便于程序浮动
相对寻址广泛应用于转移指令

⑩、堆栈寻址：操作数存放在堆栈中，隐含使用堆栈指针（SP）作为操作数地址

CISC：复杂指令集计算机
设计思路：一条指令完成一个复杂的基本功能
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

RISC：精简指令集计算机
设计思路：一条指令完成一个基本“动作”，多条指令组合完成一个复杂的基本功能

CISC：指令集复杂，数目多，指令长度不固定，寻址方式多，采用微程序控制，可使用的通用寄存器数量很少，代码很难优化
RISC：指令集简单，数目少，定长指令，采用组合逻辑控制，寻址方式少，采用组合逻辑控制，可使用通用寄存器数量多，可以采用优化手段生成高效代码