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指令系统

指令系统的基本概念

一台计算机中所有机器指令的集合，称为这台计算机的指令系统。

计算机的程序是由一系列机器指令组成的。

指令格式

指令格式通常由操作码字段和地址码字段组成。

操作码OP

操作码表征指令的操作特性和功能。

  • 操作码字段位数取决于计算机指令系统的规模。

地址码A

地址码指定参与操作的操作数的地址。

  • 根据一条指令中有几个操作数地址，可以将该指令称为几操作数指令或几地址指令。

    以下设指令字长和存储字长均为32位，操作码占8位

    (A1) OP (A2) -> A3，A4指向下一条指令地址。4次访存，寻址范围 \(2^6=64\)

    (A1) OP (A2) -> A3，四地址中的A4被PC代替。4次访存，寻址范围扩大至 \(2^8=256\)

    (A1) OP (A2) -> A1 或 A2，三地址中的A3被A1或A2代替。4次访存，寻址范围扩大至 \(2^{12}=4K\)

    (ACC) OP (A1) -> ACC（访存2次）或 OP(A1) -> A1（访存3次），寻址范围 \(2^{24}=16M\)

    只有操作码，没有地址码。如NOP、停机、关中断，栈顶、次栈顶指令。

  • 一个指令字中包含二进制代码的位数，称为指令字长度。机器字长是指计算机能直接处理的二进制数据的位数。

    • 单字长指令：指令字长度等于机器字长
    • 半字长指令：指令字长度等于半个机器字长
    • 双字长指令：指令字长度等于两个机器字长

定长操作码指令格式

在指令字的最高位部分分配固定的若干位表示操作码。若操作码n位，可以表示 \(2^n\) 条指令

简化了计算机硬件设计，提高了指令译码和识别速度

留给表示操作数地址的位数有限

扩展操作码指令格式

全部指令的操作码字段位数不固定，且分散在指令字的不同位置上

指令字长有限的前提下仍保持比较丰富的指令种类

增加了指令译码和分析的难度，使控制器设计复杂化

寻址方式

指令的寻址方式

顺序寻址

执行一段程序时，通常是一条指令接一条指令的顺序进行，称为顺序寻址。为此，需要使用程序计数器PC来计数指令的顺序号。

跳跃寻址

当程序转移执行的顺序时，指令寻址采用跳跃寻址，此时下条指令的地址码由本指令给出。

操作数的寻址方式

形成操作数有效地址的方法称为寻址方式。

Text Only
+----------+----------+----------+
|  操作码   | 寻址特征   | 形式地址  |
+----------+----------+----------+

有效地址

  • 形式地址A：”偏移量“，指令中给出的操作数地址
  • 有效地址EA：操作数的真实地址

常见寻址方式

  • 指令地址字段指出的不是操作数的地址，而是操作数本身
  • 执行时不访存

  • 在指令格式的地址字段直接指出操作数在内存的地址A
  • 执行阶段访存一次

  • 指令中隐含操作数的地址

  • 指令地址字段中的形式地址A不是操作数的真正地址，而是操作数地址的指示器
  • 执行阶段访存两次

  • 操作数放在CPU的通用寄存器中
  • 执行阶段不访存

  • 操作数放在CPU的通用寄存器中，指示器放在CPU的通用寄存器中
  • 执行阶段访存一次

  • SP：栈顶地址
  • 进栈PUSH：(SP)-1->SP
  • 出栈POP：(SP)+1->SP

  • 直接寻址和寄存器间接寻址方式的结合
  • 常用的偏移寻址方法
    • 相对寻址：EA=A+(PC)，隐含引用的专用寄存器是程序计数器PC
    • 基址寻址：EA=A+(BR)，被引用的专用寄存器含有存储器地址，地址字段含有一个相对于该地址的偏移量
    • 变址寻址：EA=A+(IX)，被引用的专用寄存器含有对主存地址的正偏移量
  • 一次传送多个字节的寻址方式 (块起始地址,块长度)
  • 段寄存器+寄存器（16位偏移量）形成20位物理地址

CISC和RISC的基本概念

CISC

复杂指令计算机系统称为CISC，复杂庞大，字长不固定，通用寄存器较少，绝大多数采用微程序控制，难以编译优化

X86架构的CPU是CISC

RISC

最常使用的简单指令仅占指令总数的20%，但在程序中出现的频率高达80%

精简指令计算机系统称为RISC，简单，字长固定，采用组合逻辑控制，可以优化编译

ARM、MIPS架构的CPU是RISC