计算机组成原理指令系统（一）

迷南。 2022-05-15 23:53 609阅读 0赞

本文主要介绍指令的**基本格式**以及**寻址方式**：

![70][]

**指令**其实就是一组有特殊意义的二进制数，指示计算机执行某种操作的命令，也叫机器字或指令字，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**，也称为指令集。指令系统是计算机的主要属性，位于硬件和软件的交界面上。

**指令字长度：**一个指令包含的二进制数的位数

**机器字长：**计算机能直接处理的二进制数的位数，通常与主存单元的位数一致

**①**指令字长度 = 机器字长度 称为**单字长指令**

**②**指令字长度 = 0.5 × 机器字长 称为**半字长指令**

**③**指令字长度 = 2 × 机器字长 称为**双字长指令**

## **一、基本格式：** ##

一条指令通常包括操作码和地址码两部分

**操作码（OP）**指出执行什么操作，如加减乘除、存数、取数等。CPU中有专门电路来解释操作码，从而执行相应的操作。3位操作码最多可表示8条不同的指令

**地址码（A）**给出数据或者指令的地址

![70 1][]

根据指令中操作数**地址码的数目的不同**，可将指令分为以下几种：

**1.零地址指令：**

![70 2][]

只有操作数，没有地址码，这种指令有两种可能：

**①**不需要操作数，如停机指令

**②**零地址的运算类指令仅用在堆栈计算机中，通常参与运算的两个操作数隐含地从栈顶和次栈顶弹出，送到运算器进行运算，运算结果再隐含地压入到堆栈中

**2.一地址指令：**

![70 3][]

只有一个地址码，有两种可能：

**①**单操作数指令，如自增1.自减1，求反，求补等

OP(A1) -> (A1)

**②**另一个操作数的地址是隐含的，可约定由ACC（累加器）提供

（ACC）OP(A1) -> ACC

> 若指令字长为32位，操作码占8位，地址码占24位，则该指令操作数的直接寻址范围为：![2^\{24\} = 16M][2_24_ _ 16M]

**3.二地址指令：**

![70 4][]

A1给出目的操作数的地址，A2给出源操作数的地址

(A1)OP(A2) -> A1

> 若指令字长为32位，操作码占8位，2个地址码各占12位，则该指令操作数的直接寻址范围为：![2^\{12\} = 4K][2_12_ _ 4K]

**4.三地址指令：**

![70 5][]

A1给出目的操作数的地址，A2给出源操作数的地址，A3存放操作结果

(A1)OP(A2) -> (A3)

> 若指令字长为32位，操作码占8位，3个地址码各占8位，则该指令操作数的直接寻址范围为：![2^\{8\} = 256][2_8_ _ 256]

**5.四地址指令：**

![70 6][]

A1给出目的操作数的地址，A2给出源操作数的地址，A3存放操作结果，A4给出下一条将要执行的指令的地址

(A1)OP(A2) -> (A3)

> 若指令字长为32位，操作码占8位，4个地址码各占6位，则该指令操作数的直接寻址范围为：![2^\{6\} = 64][2_6_ _ 64]

# #

## **二、寻址方式：** ##

寻址方式就是寻址指令或操作数有效地址的方式，也就是确定数据地址以及下一条将要执行的指令的地址。因此寻址方式分为**指令寻址**和**数据寻址**

**指令寻址**

就是找下一条要执行的指令的地址

**1.**顺序寻址

在内存中按顺序取指令，然后一条一条执行，由程序计数器（PC）来记录顺序

**2.**跳跃寻址

跳跃就是本条指令给出下条指令地址的计算方式，是否跳跃可能受状态寄存器和操作数的控制，跳跃的结果是当前指令修改PC值，下一条指令仍然是通过程序计数器PC给出

**数据寻址**

就是找这个指令的操作数的地址

**1.**隐含寻址

操作数地址隐含在操作码中，如累加寄存器（AC）

**2.**立即寻址

操作数就在指令中，取指令的时候就已经拿到了操作数

![70 7][]

**3.**直接寻址

指令中给出操作数的地址，然后到内存中取操作数

![70 8][]

**4.**间接寻址

指令中给出操作数的寻址特征位，再根据这个特征位到内存中取操作数

![70 9][]

**5.**寄存器寻址

指令给出操作数的地址，然后到寄存器中取操作数

![70 10][]

**6.**寄存器间接寻址

指令给出寄存器的地址，然后到寄存器中拿到操作数的地址，然后到内存中取操作数

![70 11][]

**7.**偏移寻址

**①**相对寻址

把当前指令的地址存在在PC中，然后用形式地址+PC得到有效地址

**②**基址寻址

在CPU中用一个寄存器来存储一部分地址，然后再加上指令中的形式地址得到有效地址

**③**变址寻址

在CPU中用一个寄存器来存储一部分地址（这个地址是**变动**的），然后再加上指令中的形式地址得到有效地址，如遍历数组，数组下标就可以存储在变址中

**8.**堆栈寻址

将数据以栈的形式存储在内存或寄存器中，进栈出栈都只在栈顶操作

寄存器堆栈称为硬堆栈，主存中划分出来的堆栈称为软堆栈

<table style="width:500px;"> 
 <tbody> 
  <tr> 
   <td><span style="color:#3399ea;"><strong>寻址方式</strong></span></td> 
   <td><span style="color:#3399ea;"><strong>有效地址</strong></span></td> 
   <td><span style="color:#3399ea;"><strong>访存次数</strong></span></td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>隐含寻址</td> 
   <td>程序指定</td> 
   <td>0</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>立即寻址</td> 
   <td>A即是操作数</td> 
   <td>0</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>直接寻址</td> 
   <td>EA=A</td> 
   <td>1</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>一次间接寻址</td> 
   <td>EA=(A)</td> 
   <td>2</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>寄存器寻址</td> 
   <td>EA=Ri</td> 
   <td>0</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>寄存器间接一次寻址</td> 
   <td>EA=(Ri)</td> 
   <td>1</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>相对寻址</td> 
   <td>EA=(PC)+A</td> 
   <td>1</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>基址寻址</td> 
   <td>EA=(BR)+A</td> 
   <td>1</td> 
  </tr> 
  <tr> 
   <td>变址寻址</td> 
   <td>EA=(IX)+A</td> 
   <td>1</td> 
  </tr> 
 </tbody> 
</table>

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[2_12_ _ 4K]: https://private.codecogs.com/gif.latex?2%5E%7B12%7D%20%3D%204K
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[2_8_ _ 256]: https://private.codecogs.com/gif.latex?2%5E%7B8%7D%20%3D%20256
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[70 10]: /images/20220516/d02e0f05684547968fdda7868aa091cf.png
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[Link 1]: https://blog.csdn.net/KysonLai/article/details/81700645