指令系统

华科计组mooc

基本概念

指令：计算机执行某种操作的命令

指令系统：一台计算机所有机器指令的集合

系列机：同一公司不同时期生产，基本系统结构和指令系统相同的计算机。各机种有共同的指令集能够解决软件兼容问题。

指令字长

指令字长：令中包含的二进制位数

与位数正相关

能表示的操作信息和地址信息

指令占用的存储空间

读取指令的时间

长指令优点	缺点
扩大寻址范围或可以带几个操作数	占用空间大，取指速度较慢

短指令优点	缺点
占用空间较小，取指速度快	寻址范围较小

定字长指令：指令字长固定

变字长指令：指令字长根据需要可变

操作数

机器中常见的操作数类型

• 地址
• 数字
• 字符
• 逻辑数据

根据指令中操作数的物理位置，可将指令分为：

类型	访问主存次数
存储器 - 存储器（SS）型	访问主存两次
寄存器 - 寄存器（RR）型	不访问主存
寄存器 - 存储器（RS）型	访问主存一次

操作码

操作码指出指令应该执行什么性质的操作和具有何种功能

定长操作码：一般固定n位操作码的指令系统最多能够表示2ⁿ条指令

变长操作码：

• 当地址部分位数较多时，减少操作码位数；
• 当地址部分位数较少时，增加操作码位数，增加指令种类。

地址码

根据指令中地址码字段的个数分为：

• 三地址指令
  按A1和A2的地址读取操作数，按操作码OP运算，将结果存入A3地址指定的主存单元或寄存器。
• 二地址指令
  A2称为源地址，A2提供的操作数，运算后保持不变。
  A1称为目的操作数地址，A1提供的操作数，运算后不保留，A1地址改用来存放运算结果。
• 一地址指令

只有目的操作数的单操作数指令	隐含约定目的地址的双操作数指令
单操作数指令：操作码含义是+1，-1，求反，求补一类	双操作数指令：操作码含义是：+，-，*，/一类
按A1地址读操作数，进行OP操作，结果存回原地址	按A1地址读源操作数，AC地址提供隐含的目的操作数，运算结果也存放在AC

• 零地址指令

可能的情况	举例
不需要操作数的指令	空操作，停机
对累加器AC内容操作，AC为隐含约定

指令功能

操作类型	举例
数据传送	MOV、PUSH / POP（进栈出栈）、IN / OUT
算术运算	ADD、SUB、INC、CMP、MUL
位运算	AND、OR、NOT、OR、XOR
控制转移	JMP、JNE、CALL、RET

指令格式

• 根据指令数量的要求及是否支持操作码扩展，确定操作码字段的位数
• 根据对操作数的要求确定地址码字段的个数
• 根据对寻址方式的要求，为每个地址字段确定寻址方式字段位数
• 确定采用定长指令还是变长指令

编址方式

• 字编址：每个编址单位所包含的二进制位数与读或写一次寄存器、主存所获得的信息量相同。

优点	缺点
控制方式实现简单	不支持非数值应用
地址信息没有任何浪费

• 字节编址
  编址单位与信息的基本单位（1个字节）相一致

优点	缺点
适应非数值计算	存在地址信息的浪费

• 位编址
  主要优缺点与字节编址方式相同，但地址信息的浪费更大。

指令寻址方式

两种基本方式：

• 顺序寻址
  指令地址在内存中按顺序排列，执行时从第一条指令开始（操作系统把程序从辅存写入主存时会提供第一条指令的地址）
  在CPU中设置程序计数器PC来计数指令的顺序号，该顺序号即指令在内存的地址。每执行一条指令，PC加1（1的含义是存储1条指令占用的字节单元数），指向下条指令的地址。
• 跳跃寻址
  跳跃，是指下条指令的地址码不是PC给出的，而是本条指令给出，例如JMP。

操作数寻址方式

以8086为例

• 立即数寻址

MOV AH,ACH

地址码字段是操作数本身，不需要访问主存，一般用来给变量赋初始值。数据字段的位数限制了立即数的范围

• 寄存器寻址

MOV AL,BL

地址码字段指出寄存器编号，操作数在寄存器中，不需要访问主存。指明寄存器编号的做法使指令字较短（计算机中寄存器数量有限），节省存储空间。

• 直接寻址

MOV AX,[1680H]

地址码字段直接给出操作数在内存的地址，不需要专门计算操作数的地址，地址码字段位数限制了操作数的寻址范围。

• 间接寻址
  
  地址码字段给出的是操作数主存地址的地址。访问内存取得操作数的地址，再由这个地址访问操作数（类比**p和*p）。扩大了操作数的寻址范围。

• 寄存器间接寻址

MOV AX,[BX]

地址码字段给出的是寄存器编号，寄存器内存放的操作数是地址，通过这个地址访问主存。

• 相对寻址
  
  以PC的内容作为基准地址，指令给出的形式地址为位移量（可正可负），二者相加后形成操作数的有效地址（采用字节编址的机器，若采用双字节指令（16位），相加时要另外加2）。

• 基址寻址
  
  由B₁₀₁（基址寄存器）提供基准量，指令给出形式地址（32）作为偏移量。可以扩大操作数的寻址范围。

• 变址寻址

MOV CL,[SI+200H]

操作数地址为变址寄存器（SI）中的内容和位移量（200H）之和。

操作数寻址方式总结

方式	优点 / 缺点
立即寻址	快，能赋初值 / 不能访存，初值的大小受限制
寄存器寻址	快，适合做算术逻辑运算 / 不能访存
直接寻址	能访存 / 访存一次，慢，访存范围受限
间接寻址	解决直接寻址范围受限的问题 / 访存两次，很慢
寄存器相对寻址	解决直接寻址范围受限的问题 / 访问主存一次，慢
相对寻址	节省指令中地址位数，便于程序在内存中成块移动 / 访存一次，较慢，且不能在循环中使用
变址寻址	不改变指令即可改变数据的有效地址，可在循环中使用 / 访存一次，较慢
基址寻址	提供更大范围的访存能力 / 慢，且不能在循环中使用

RISC和CISC

RISC（Reduced Instruction Set Computer，精简指令系统计算机）
CISC（Complex Instruction Set Computer，复杂指令系统计算机）

CISC	RISC
指令多	指令少
不同指令使用频率差异大	不同指令使用频率大致相当
可变长指令	定长指令
执行效率低	执行效率高
实现复杂功能只需较少指令	实现复杂功能需要较多指令
存储器寻址方式丰富	存储器寻址方式单一
程序设计较简单	程序设计较难
CPU电路更复杂，成本高	CPU较简单，成本低
对程序编译器要求较低	对程序编译器要求较高