计算机组成原理——第4章指令系统

深藏阁楼爱情的钟 2022-10-05 11:45 489阅读 0赞

### 文章目录 ###

*  【绪：内容】
 *  一、指令格式
 *   *  1、指令基本格式
     *   *  ① 零地址指令
         *  ② 一地址指令
         *  ③ 二地址指令
         *  ④ 三地址指令
         *  ⑤ 四地址指令
     *  2、定长操作码指令格式
     *  3、扩展操作码指令格式
     *  4、指令操作类型
 *  二、寻址方式
 *   *  1、指令寻址
     *  2、数据寻址
     *   *  ① 隐含寻址
         *  ② 立即（数）寻址
         *  ③ 直接寻址
         *  ④ 间接寻址
         *  ⑤ 寄存器寻址
         *  ⑥ 寄存器间接寻址
         *  ⑦ 相对寻址
         *  ⑧ 基址寻址
         *  ⑨ 变址寻址
         *  ⑩ 堆栈寻址
 *  三、 C I S C CISC CISC 和  R I S C RISC RISC
 *   *  1、 C I S C CISC CISC
     *  2、 R I S C RISC RISC

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# 【绪：内容】 #

1.  指令格式
    
    指令的基本格式
    
    定长操作码指令格式
    
    扩展操作码指令格式
2.  指令的寻址方式
    
    有效地址的概念
    
    数据寻址和指令寻址
    
    常见寻址方式
3.  CISC和RISC的基本概念

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# 一、指令格式 #

**指令**（机器指令）：是指示计算机执行某种操作的命令。

**指令系统**：也称**指令集**，一台计算机的所有指令的集合构成该机的。

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## 1、指令基本格式 ##

一条指令通常包括操作码字段和地址码字段两部分：

![20210608205522950.png][]

*  **操作码字段**
    
    指出该指令应该执行什么性质的操作以及具有何种功能。
 *  **地址码字段**
    
    给出被操作的信息（指令或数据）的地址，包括参加运算的一个或多个操作数所在的地址、运算结果的保存地址、程序的转移地址、被调用的子程序的入口地址等。

**指令的长度**是指一条指令中所包含的二进制代码的位数。指令字长取决于操作码的长度操作数地址码的长度和操作数地址的个数。

1.  单字长指令
    
    指令长度等于机器字长的指令
2.  半字长指令
    
    指令长度等于半个机器字长的指令
3.  双字长指令
    
    指令长度等于两个机器字长的指令
    
    > 注：指令字长会影响取指令所需时间

在一个指令系统中，若所有指令的长度都是相等的，则称为**定长指令字结构**。若各种指令的长度随指令功能而异，则称为**变长指令字结构**。

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### ① 零地址指令 ###

![20210608210611730.png_pic_center][]

只给出操作码  O P OP OP 1,没有显式地址。

1.  不需要操作数的指令，如空操作指令、停机指令、关中断指令等。
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堆栈。

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### ② 一地址指令 ###

![20210608210801685.png_pic_center][]

1.  只有目的操作数的单操作数指令，按A地址读取操作数，进行OP操作后，结果存回原地址
    
    指令含义： O P ( A 1 ) → A 1 \{\\color\{DarkOrange\}\{OP\\left ( A\_1\\right )\}\}\{\\color\{\#7B68EE\}\{\\rightarrow A\_1\}\} OP(A1)→A1
    
    如操作码含义是加1、减1、求反、求补等。
2.  隐含约定目的地址的双操作数指令，按指令地址A可读取源操作数，指令可隐含约定另一个操作数由  A C C ACC ACC （累加器）提供，运算结果也将存放在  A C C ACC ACC 中。
    
    指令含义： ( A C C ) O P ( A 1 ) → A C C \\color\{DarkOrange\}\{\\left ( ACC\\right )OP\\left ( A\_1\\right )\}\\color\{\#7B68EE\}\{\\rightarrow ACC\} (ACC)OP(A1)→ACC
    
    若指令字长为32位，操作码占8位，1个地址码字段占24位，则指令操作数的直接寻址范围为  2 24 = 16 M \{\\color\{DarkOrange\}\{2^\{24\}=\}\}\{\\color\{\#7B68EE\}\{16M\}\} 224=16M。

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### ③ 二地址指令 ###

![20210608211012435.png_pic_center][]

*  指令含义： ( A 1 ) O P ( A 2 ) → A 1 \\color\{DarkOrange\}\{\\left ( A\_1\\right )OP\\left ( A\_2\\right )\}\\color\{\#7B68EE\}\{\\rightarrow A\_1\} (A1)OP(A2)→A1
 *  使用两个操作数，分别给出目的操作数和源操作数的地址，其中目的操作数地址还用于保存本次的运算结果。
 *  若指令字长为32位，操作码占8位，两个地址码字段各占12位，则指令操作数的直接寻址范围为  2 12 = 4 K \{\\color\{DarkOrange\}\{2^\{12\}=\}\}\{\\color\{\#7B68EE\}\{4K\}\} 212=4K。

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### ④ 三地址指令 ###

![20210608211109902.png_pic_center][]

*  指令含义： ( A 1 ) O P ( A 2 ) → A 3 \\color\{DarkOrange\}\{\\left ( A\_1\\right )OP\\left ( A\_2\\right )\}\\color\{\#7B68EE\}\{\\rightarrow A\_3\} (A1)OP(A2)→A3
 *  若指令字长为32位，操作码占8位，3个地址码字段各占8位，则指令操作数的直接寻址范围为 2 8 = 256 \{\\color\{DarkOrange\}\{2^\{8\}=\}\}\{\\color\{\#7B68EE\}\{256\}\} 28=256。若地址字段均为主存地址，则完成条 三地址需要， 4次访问存储器 (取指令1次，取两个操作数2次，存放结果1次)。

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### ⑤ 四地址指令 ###

![20210608211228764.png_pic_center][]

*  指令含义： A 4 = 下 一 条 将 要 执 行 指 令 的 地 址 \\color\{DarkOrange\}\{A4=\}\\color\{\#7B68EE\}\{下一条将要 执行指令的地址\} A4=下一条将要执行指令的地址。
 *  若指令字长为32位，操作码占8位，4个地址码字段各占6位，则指令操作数的直接寻址范围为 2 6 = 64 \{\\color\{DarkOrange\}\{2^\{6\}=\}\}\{\\color\{\#7B68EE\}\{64\}\} 26=64。
    
    > 注：
    > 
    > 正常情况下：取指令之后 P C + 1 \\color\{red\}\{PC+1\} PC\+1，指向下一条指令
    > 
    > 四地址指令：执行指令后，将PC的值修改为 A 4 A\_4 A4的地址

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## 2、定长操作码指令格式 ##

*  定长操作码指令
    
    在指令字的最高位部分分配固定的若干位（定长）表示操作码。一般  n n n 位康作码字段的指令系统最大能够表示  2 n 2^n 2n 条指令。

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## 3、扩展操作码指令格式 ##

*  **可变长度操作码**
    
    全部指令的操作码字段的位数不固定，且分散地放在指令字的不同位置上。
 *  **扩展操作码**
    
     *  使操作码的长度随地址码的减少而增加，不同地址数的指令可具有不同长度的操作码。
     *  设地址长度为  n n n ，上一层留出  m m m 种状态，则下一层可扩展出  m × 2 n \{\\color\{\#0000FF\}\{m\\times2^n \}\} m×2n 种状态
 *  **设计扩展操作码指令格式时，注意以下两点：**
    
     *  不允许短码是长码的前缀，即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

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## 4、指令操作类型 ##

1.  **数据传送传送指令**
    
     *  寄存器之间的传送（  M O V MOV MOV ）
     *  内存单元读取数据到  C P U CPU CPU 寄存器（  L O A D LOAD LOAD ）
     *   C P U CPU CPU 寄存器写数据到内存单元（  S T O R E STORE STORE ）等。
2.  **算术和逻辑运算**
    
    加（  A D D ADD ADD ）、 减（  S U B SUB SUB ）、比较（  C M P CMP CMP ）、 乘（  M U L MUL MUL ）、除（  D I V DIV DIV ）、 加1（  I N C INC INC ）、减1（  D E C DEC DEC ）、 与（  A N D AND AND ）、 或（  O R OR OR ）、取反（  N O T NOT NOT ）、 异或（  X O R XOR XOR ）等。
3.  **移位操作**
    
    算法移位、逻辑移位、循环移位等。
4.  **转移操作**
    
    无条件转移（  J M P JMP JMP ）、条件转移（  B R A N C H BRANCH BRANCH ）、调用（  C A L L CALL CALL ）、 返回（  R E T RET RET ）、陷阱（  T R A P TRAP TRAP ）等。

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# 二、寻址方式 #

寻址方式是指寻找指令或操作数有效地址的方式，即确定本条指令的数据地址及下一条待执行指令的地址的方法。寻址方式分为指令寻址和数据寻址两大类。

指令中的地址码字段并不代表操作数的真实地址，这种地址称为**形式地址（  A A A ）**。

形式地址结合寻址方式，可以计算出操作数在存储器中的真实地址，这种地址称为**有效地址（  E A EA EA ）**。

> 注意:
> 
> （ A A A）表示地址为  A A A 的数值，  A A A 既可以是寄存器编号，也可以是内存地址。对应的（ A A A）就是寄存器中的数值，或相应内存单元的数值。例如， E A = ( A ) \{\\color\{DarkOrange\}\{EA=\}\}\{\\color\{\#7B68EE\}\{\\left ( A\\right )\}\} EA=(A) 意思是有效地址是地址  A A A 中的数值。

> 注：
> 
> 一个操作数在内存可能占多个单元，**指令中操作数的地址有两种不同的地址指定方式**：
> 
>  *  大端方式：指令中给出的地址是操作数最高有效字节（ M S B MSB MSB）所在的地址。
>  *  小端方式：指令中给出的地址是操作数最低有效字节（ L S B LSB LSB）所在的地址。

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## 1、指令寻址 ##

*  顺序寻址方式
    
    通过程序计数器（ P C PC PC） 加1（1个指令字长），自动形成下一条指令的地址。
 *  跳跃寻址方式
    
    指下条指令的地址码不由程序计数器给出，而由本条指令给出下条指令地址的计算方式。注意，跳跃的结果是当前指令修改  P C PC PC 值，所以下一条指令仍然通过程序计数器（ P C PC PC）给出。

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## 2、数据寻址 ##

数据寻址是指如何在指令中表示一个操作数的地址。

数据寻址的方式较多，通常在指令字中设一个字段（寻址特征），用来指明属于哪种寻址方式，由此可得指令的格式如下所示：

![20210609202722555.png_pic_center][]

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### ① 隐含寻址 ###

![20210610100045219.png_pic_center][]

*  指令中不明显地给出操作数的地址，而在指令中隐含操作数的地址。
 *  隐含寻址的优点是有利于缩短指令字长；缺点是需增加存储操作数或隐含地址的硬件。

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### ② 立即（数）寻址 ###

![2021061009592159.png_pic_center][]

*  指令中的地址字段指出的不是操作数的地址，而是操作数本身，又称立即数。数据采用补码形式存放。
 *  立即寻址的优点是指令在执行阶段不访问主存，指令执行时间最短；缺点是A的位数限制了立即数的范围。

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### ③ 直接寻址 ###

![20210610095823614.png_pic_center][]

*  指令字中的形式地址  A A A 是操作数的真实地址  E A EA EA，即 E A = A \{\\color\{DarkOrange\}\{EA=\}\}\{\\color\{\#7B68EE\}\{ A\}\} EA=A。
 *  直接寻址的优点是简单，指令在执行阶段仅访问一次主存，不需要专门计算操作数的地址；缺点是A的位数决定了该指令操作数的寻址范围，操作数的地址不易修改。

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### ④ 间接寻址 ###

![20210610100933889.png_pic_center][]

*  指令中的地址字段给出的形式地址不是操作数的真正地址，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 E A = ( A ) \{\\color\{DarkOrange\}\{EA=\}\}\{\\color\{\#7B68EE\}\{ \\left(A\\right)\}\} EA=(A)。间接寻址可以是一次间接寻址，还可以是多次间接寻址（套娃）。
 *  间接寻址的优点是可扩大寻址范围（有效地址  E A EA EA 的位数大于形式地址  A A A 的位数），便于编制程序(用间接寻址可方便地完成子程序返回)；缺点是指令在执行阶段要多次访存（一次间接寻址需两次访存，多次间接寻址需根据存储字的最高位确定访存次数）。

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### ⑤ 寄存器寻址 ###

![20210610101352918.png_pic_center][]

*  指令中直接给出操作数所在的寄存器编号，即  E A = R i \{\\color\{DarkOrange\}\{EA=\}\}\{\\color\{\#7B68EE\}\{ R\_i\}\} EA=Ri，其操作数在由  R i \\color\{blue\}\{R\_i\} Ri 所指的寄存器内。
 *  寄存器寻址的优点是指令在执行阶段不访问主存，只访问寄存器，因寄存器数量较少，对应地址码长度较小，使得指令字短且因不用访存，所以执行速度快，支持向量/矩阵运算；缺点是寄存器价格昂贵，计算机中的寄存器个数有限。

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### ⑥ 寄存器间接寻址 ###

![20210610101702742.png_pic_center][]

*  指令中给出在寄存器  R i \\color\{blue\}R\_i Ri中的不是一个操作数， 而是操作数所在主存单元的地址即 E A = ( R i ) \{\\color\{DarkOrange\}\{EA=\}\}\{\\color\{\#7B68EE\}\{ \\left(R\_i\\right)\}\} EA=(Ri)。
 *  寄存器间接寻址的特点是，与一般间接寻址相比速度更快，但指令的执行阶段需要访问主存（因为操作数在主存中）。

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### ⑦ 相对寻址 ###

![20210610105142154.png_pic_center][]

*  相对寻址是把程序计数器（  P C PC PC ） 的内容加上指令格式中的形式地址  A A A而形成操作数的有效地址，即 E A = ( P C ) + A \{\\color\{DarkOrange\}\{EA=\}\}\{\\color\{\#7B68EE\}\{ \\left(PC\\right)+A\}\} EA=(PC)\+A，其中 A A A 是相对于当前指令地址的位移量，可正可负，补码表示。
 *  相对寻址的优点是操作数的地址不是固定的，它随PC值的变化而变化，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。

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### ⑧ 基址寻址 ###

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*  基址寻址是指将  C P U CPU CPU 中基址寄存器（  B R BR BR ）的内容加上指令格式中的形式地址  A A A而形成操作数的有效地址，即 E A = ( B R ) + A \{\\color\{DarkOrange\}\{EA=\}\}\{\\color\{\#7B68EE\}\{ \\left(BR\\right)+A\}\} EA=(BR)\+A。
 *  基址寄存器既可采用专用寄存器，又可采用通用寄存器。
 *  基址寻址的优点是可扩大寻址范围（基址寄存器的位数大于形式地址A的位数）。

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### ⑨ 变址寻址 ###

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*  变址寻址是指有效地址  E A EA EA 等于指令字中的形式地址  A A A 与变址寄存器  I X IX IX 的内容之和，即 E A = ( I X ) + A \{\\color\{DarkOrange\}\{EA=\}\}\{\\color\{\#7B68EE\}\{ \\left(IX\\right)+A\}\} EA=(IX)\+A，
 *   I X IX IX 为变址寄存器（专用），也可用通用寄存器作为变址寄存器。
 *  变址寻址的优点是可扩大寻址范围（变址寄存器的位数大于形式地址  A A A 的位数）。偏移量（变址寄存器  I X IX IX ）的位数足以表示整个存储空间。

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### ⑩ 堆栈寻址 ###

*  堆栈是存储器（或专用寄存器组）中一块特定的、按后进先出（LIFO）原则管理的存储区，该存储区中读/写单元的地址是用一个特定的寄存器给出的，该寄存器称为堆栈指针（SP）。
 *  堆栈可分为硬堆栈与软堆栈两种。
    
    1.  硬堆栈：寄存器堆栈。寄存器堆栈的成本较高，不适合做大容量的堆栈。
    2.  软堆栈：从主存中划出一段区域来做堆栈。
 *  出栈  S P + 1 SP+1 SP\+1；进栈  S P − 1 SP-1 SP−1。（1个指令字长）

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# 三、 C I S C CISC CISC 和  R I S C RISC RISC #

*  **复杂指令系统计算机**（ C o m p l e x Complex Complex  I n s t r u c t i o n Instruction Instruction  S e t Set Set  C o m p u t e r Computer Computer， C I S C CISC CISC）：增强原有指令的功能，设置更为复杂的新指令实现软件功能的硬化。如  X 86 X86 X86 架构。
 *  **精简指令系统计算机**（ R e d u c e d Reduced Reduced  I n s t r u c t i o n Instruction Instruction  S e t Set Set  C o m p u t i n g Computing Computing， R I S C RISC RISC）：减少指令种类和简化指令功能，提高指令的执行速度。如  A R M ARM ARM 、  M I P S MIPS MIPS 架构.

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## 1、 C I S C CISC CISC ##

C I S C CISC CISC 的主要特点：

1.  指令系统复杂庞大，指令数目一般为200条以上。
2.  指令的长度不固定，指令格式多，寻址方式多。
3.  可以访存的指令不受限制。
4.  各种指令使用频度相差很大。
5.  各种指令执行时间相差很大，大多数指令需多个时钟周期才能完成。
6.  控制器大多数采用微程序控制。有些指令非常复杂，以至于无法采用硬连线控制。
7.  难以用优化编译生成高效的目标代码程序。

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## 2、 R I S C RISC RISC ##

R I S C RISC RISC 的主要特点：

1.  选取使用频率最高的一些简单指令，复杂指令的功能由简单指令的组合来实现。
2.  指令长度固定，指令格式种类少，寻址方式种类少。
3.  只有 L o a d Load Load /  S t o r e Store Store（取数/存数）指令访存，其余指令的操作都在寄存器之间进行。
4.  CPU中通用寄存器的数量相当多。
5.   R I S C RISC RISC 一定采用指令流水线技术，大部分指令在一个时钟周期内完成。
6.  以硬布线控制为主，不用或少用微程序控制。
7.  特别重视编译优化工作，以减少程序执行时间。

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**目标越接近，困难越增加。**——歌德

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1.  OP在计算机组成原理中代表“操作码” ，全称为 o p e r a t i o n operation operation  c o d e code code ↩︎

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