指令系统——计算机组成原理

指令系统

4.1指令系统的发展与性能要求

1. 指令系统的发展

   计算机的程序是由一系列的机器指令组成

   计算机的指令有微指令、机器指令、宏指令之分。

   微指令是微程序级的命令，属于硬件；

   宏指令是由若干机器指令组成的软件指令，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

   一台计算机上的所有机器指令的集合成为这台计算机的指令系统

   有CISC和RISC之分，前者是复杂指令系统计算机，后者是精简指令系统计算机

2. 指令系统的性能要求

   （1）完备性：指令足够使用

   （2）有效性：程序占据存储空间小、执行速度快

   （3）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

   （4）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

3. 低级语言与硬件结构的关系：略

4.2指令格式

机器指令是用机器字来表示的。表示一条指令的机器字成为指令字，简称指令。

指令格式，是指令字用二进制代码表示的结构形式，通常由操作码字段和地址码字段组成

操作码字段：OP；

地址码字段：A

1. 操作码

   OP表示该指令应进行什么性质的操作，如加、减、乘、除等。

   一般来说，一个包含n位的操作码最多能够表示 2^n 条指令

2. 地址码

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

   有零地址指令、一地址指令、二地址指令和三地址指令

   在二地址指令格式中，可以归结为三种类型：

   （1）访问内存的指令格式，称为存储器-存储器(SS)型指令，这种操作时都是涉及内存单元

   （2）访问寄存器的指令格式，称为寄存器-寄存器(RR)型指令

   （3）寄存器-存储器(RS)型指令

3. 指令字长度

   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，决定了计算机的运算精度。机器字长通常与主存单元的位数一致。

   指令字长度等于机器字长度的指令，称为单字长指令；等于半个机器字长的指令，称为半字长指令；等于两个机器字长度的指令，称为双字长指令

4. 指令助记符

   硬件只能识别1和0，操作码在机器上都有对应的二进制代码。便于书写和阅读，用英文的缩写代替，缩写码叫做指令助记符，如ADD、SUB、MOV、JMP等

   ​

例题：

指令格式如下，OP为操作码，试分析指令格式的特点
|15    9|      |7         4|3          0|
|   OP  |  ——  |  源寄存器  |  目标寄存器  |

解：
（1）单字长的二地址指令
（2）操作码字段OP可以指定2^7=128条指令
（3）源寄存器和目标寄存器都是通用寄存器，可分别指定16个，RR型指令
（4）常用于算术逻辑运算类指令

指令格式如下，分析指令格式特点
|15     10|        |7         4|3           0|
|   OP    |   ——   |  源寄存器  |  变址寄存器  |
|              位移量（16位)                  |

解：
（1）双字长二地址指令，用于访问存储器
（2）OP为6位，可以指定64种指令
（3）一个操作数在源寄存器中，目标操作数在存储器中（由变址寄存器和位移量决定），RS型指令

4.3操作数类型

略

4.4指令和数据的寻址方式

存储器既可以存放数据，也可以存放指令。

寻址方式分为两类，指令寻址方式和数据寻址方式。

冯.诺依曼型结构的计算机中，内存中指令的寻址与数据的寻址是交替进行的

哈佛型计算机中指令寻址和数据寻址是独立进行的

（1）指令的寻址方式

有顺序寻址和跳跃寻址之分

（2）操作数基本寻址方式

形成操作数的有效地址的方式，称为操作数的寻址方式

有 隐含寻址、立即寻址、直接寻址、间接寻址、寄存器寻址、寄存器间接寻址、偏移寻址（相对寻址(使用PC)、基址寻址、变址寻址）

段寻址方式 ：基地址+偏移量

4.5典型指令

• MOV 传送
• STO 存数 ： 由CPU向存储器传送字
• LAD 取数 ： 由存储器向CPU传送字
• EXC 交换 ： 源和目标交换内容
• CLA 清零
• SET 置1
• PUS 进栈
• POP 退栈
• ADD、SUB、MUL、DIV、ABS、NEG（变负）、INC（增量，操作数加1）、DEC（减量，操作数减一）
• AND、OR、NOT、EOR（异或）、TES（测试）、COM（比较）、SHI（移位）、ROT（循环移）
• JMP、JMPX（条件转移）、JMPC（转子）、RET（返回）