指令系统

指令系统的发展与性能要求

指令系统的发展

分类

• 微指令：微程序级的命令，它属于硬件；

• 宏指令：由若干条机器指令组成的软件指令，它属于软件；

• 机器指令：介于微指令与宏指令之间，通常简称为指令，每一条指令可完成一个独立的算术运算或逻辑运算操作

本章所讨论的指令，是机器指令

按作用分：

数据传送指令、算术运算指令、逻辑运算指令、程序控制指令

发展情况

• 复杂指令系统计算机，简称 CISC。

  • 如此庞大的指令系统不但使计算机的研制周期变长，难以保证正确性，不易调试维护，而且由于采用了大量使用频率很低的复杂指令而造成硬件资源浪费。

• 精简指令系统计算机：简称 RISC

  • 人们提出了便于 VLSI 技术实现的精简指令系统计算机。

指令系统性能要求

• **完备性：**完备性是指用汇编语言编写各种程序时，指令系统直接提供的指令足够使用，而不必用软件来实现。

• **有效性：**有效性是指利用该指令系统所编写的程序能够高效率地运行。

• **规整性：**规整性包括指令系统的对称性、匀齐性、指令格式和数据格式的一致性。

  • 对称性是指：在指令系统中所有的寄存器和存储器单元都可同等对待，所有的指令都可使用各种寻址方式
  • 匀齐性是指：一种操作性质的指令可以支持各种数据类型
  • 指令格式和数据格式的一致性是指：指令长度和数据长度有一定的关系，以方便处理和存取。

• **兼容性：**系列机各机种之间具有相同的基本结构和共同的基本指令集，因而指令系统是兼容的，即各机种上基本软件可以通用。

指令格式

操作码

指令的操作码 OP 表示该指令应进行什么性质的操作。不同的指令用操作码字段的不同编码来表示，每一种编码代表一种指令。

组成操作码字段的位数一般取决于计算机指令系统的规模

地址码

三地址指令

功能描述

• (A1) op (A2)→A3

这种格式虽然省去了一个地址，但指令长度仍比较长，所以只在字长较长的大、中型机中使用，而小型、微型机中很少使用

二地址指令

• 功能描述

  • (A1) op (A2)→A1

• 说明

  • 二地址指令在计算机中得到了广泛的应用，
  • 注意：指令执行之后，A1 中原存的内容已经被新的运算结果替换了

• 二地址地址根据操作数的物理位置分为：

  • SS 存储器-存储器类型
  • RS 寄存器-存储器类型
  • RR 寄存器-寄存器类型

一地址指令

• 功能描述
  • (AC) op (A1) → A1
• 说明
  • 单操作数运算指令，如“+1”、“-1”、“求反”
  • 指令中给出一个源操作数的地址
  • 另一个操作数地址是隐含的

零地址指令

“停机”、“空操作”、“清除”等控制类指令

指令字长度

概念

• 指令字长度（一个指令字包含二进制代码的位数）

• 机器字长：计算机能直接处理的二进制数据的位数。

• 分类

  • 单字长指令：指令字长等于一个机器字长
  • 半字长指令：指令字长等于半个机器字长
  • 双字长指令：指令字长等于两个机器字长

理解

• 多字长指令的优缺点

  • 优点：提供足够的地址位来解决访问内存任何单元的寻址问题 ；

  • 缺点：必须两次或多次访问内存以取出一整条指令，降低了 CPU 的运算速度，又占用了更多的存储空间

• 等长指令

  • 各种指令字长度是相等的，指令字结构简单，且指令字长度是不变的 ；

• 非等长指令

  • 各种指令字长度随指令功能而异，结构灵活，能充分利用指令长度，但指令的控制较复杂

指令助记符

• 用 3～4 个英文字母来表示操作码，一般为英文缩写
• 不同的计算机系统，规定不一样
• 必须用汇编语言翻译成二进制代码

指令格式举例

指令和数据的寻址方式

指令的寻址方式

• 顺序寻址方式

  • PC + 1

• 跳跃寻址方式

操作数基本寻址方式

形成操作数有效地址的方法，称为操作数的寻址方式

形式地址 + 寻址方式特征位

• 形式地址 A , 也称偏移量， 它是指令字结构中给定的地址量。

• 寻址方式特征位， 此处由间址位和变址位组成。

• 如果这条指令无间址和变址的要求， 那么形式地址就是操作数的有效地址。 如果指令中指明要变址或间址变换， 那么形式地址就不是操作数的有效地址， 而要经过指定方式的变换， 才能形成有效地址。 因此， 寻址过程就是把操作数的形式地址， 变换为操作数的有效地址的过程

隐含寻址

指令中隐含着操作数的地址

如单地址指令的某些运算，隐含了累加器 AC 作为源和目的寄存器

立即寻址

指令的地址字段不操作数地址，而是操作数本身

也就是不用寻址

指令格式：操作码 OP 操作数 A

直接寻址

指令中地址码字段给出的地址 A 就是操作数的有效地址 EA (Effective Address)、

EA＝A

间接寻址

指令的地址码部分给出的地址 A 是操作数地址的地址

EA＝(A)

寄存器寻址

在指令的地址码部分给出 CPU 内某一通用寄存器的编号，指令的操作数存放在相应的寄存器中

EA = R

优点

1. 由于寄存器在 CPU 的内部，指令在执行时从寄存器中取操作数比访问主存要快得多；

2. 由于寄存器的数量较少，因此寄存器编号所占位数也较少，从而可以有效减少指令的地址码字段的长度。

寄存器间接寻址

为了克服间接寻址中多次访存的缺点，可采用寄存器间接寻址，即将操作数放在主存储器中，而操作数的地址放在某一通用寄存器中，然后在指令的地址码部分给出该通用寄存器的编号

EA = (R)

这种寻址方式的指令较短，并且在取指后只需一次访存便可得到操作数，因此指令执行速度较前述的间接寻址方式要快，也是目前在计算机中使用较为广泛的一种寻址方式

偏移寻址

偏移寻址要求指令中有两个地址字段，至少有一个是显示的

• 必定显示的形式地址 A （一般是一个偏移量 D）
• 一个隐含的引用（一般是一个专用寄存器）

EA = A + (R)

相对寻址

由程序计数器 PC 提供基准地址（隐含引用），而指令的地址码部分给出相对的位移量 D，两者相加后作为操作数的有效地址

EA＝D + (PC)

基址寻址

专用寄存器是一个基址寄存器，可以显示可以隐式

基址寄存器的位数可以设置得很长，从而可以在较大的存储空间中寻址

EA = D + (R)

变址寻址

变址寻址就是将指令的地址码部分给出的基准地址 A 与变址寄存器 R 中的内容相加，以形成操作数的有效地址。

EA = A + R

段寻址方式

存储空间划分为多段

堆栈寻址

以先进后出原理存储数据

寻址方式举例