组成原理(三)：指令系统之 指令格式

　指令是指示计算机执行某些操作的命令，计算机的所有指令的集合构成该机的指令系统，也称指令集。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。

1、机器指令的基本格式

　　一条指令就是机器语言的一个语句，是一组有意义的二进制代码，指令的基本格式如下：

  

 　　操作码，指明了该指令的操作性质和功能；

　　地址码，给出了操作数的地址。

　　指令的长度是一条指令中所包含的二进制代码的位数，取决于操作码字段的长度、操作数地址的个数及长度。

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

2、地址码结构

　　计算机执行一条指令所需要的全部信息都必须包含在指令中。

　　对于一般的双操作数运算类指令来说，除去操作码之外，指令还要包含以下信息：操作数地址、操作结果存放地址、下一条将要执行指令的地址。

　　在指令中明显给出的地址，称为显地址；隐含方式给出的地址，称为隐地址。

2.1、四地址指令

　　指令格式如下：

 

指令的含义：

　　(A1)OP(A2)→ A3，OP表示具体的操作，A1、A2表示地址，(A1)、(A2)表示存放于该地址中的内容。

　　A4 → 下一条将要执行的指令的地址。

　　四地址指令，直观，并且下一条指令的地址明显。但是，指令的长度太长。

2.2、三地址指令

　　程序计数器(Program Counter,PC)来存放指令地址。通常每执行一条指令，PC就自动加1，直接得到将要执行的下一条指令的地址，如此，指令中无需明显的给出下一条指令的地址。

　　引入PC，三地址格式指令：

  

指令的含义：

　　(A1)OP(A2)→ A3，OP表示具体的操作，A1、A2表示地址，(A1)、(A2)表示存放于该地址中的内容。

　　(PC) + 1 → PC(隐含)

　　执行一条三地址的双操作数运算指令，至少访问4次主存，第一次取指令，第二次取第一个操作数，第三次取第二个操作数，第四次保存运算结果。

2.3、二地址指令

　　二地址指令，指令执行后，目的操作数原存的内容已被破坏。指令格式如下：

  

指令的含义：

　　(A1)OP(A2)→ A1，OP表示具体的操作，A1是目的操作数地址，A2是源操作数地址。

　　(PC) + 1 → PC(隐含)

　　二地址指令，也需要至少访问4次主存。

2.4、一地址指令

　　一地址指令，只有一个显地址，另一个隐含的操作数存放在累加寄存器中(Accumulator， ACC)。引入Acc，指令格式：

  

指令含义：

　　(Acc)OP(A2)→ Acc

　　(PC) + 1 → PC(隐含)

　　执行一条一地址指令的双操作数运算指令，只需要访问两次主存。第一次取指令本身，第二次取操作数。第一操作数和运算结果放在累加寄存器中，因此，读取和存入不需访问主存。

2.5、零地址指令

　　零地址指令格式中，只有操作码，没有地址码字段，指令格式如下：

 

　　零地址的算术逻辑类指令是在堆栈计算机中，堆栈计算机没有一般计算机中必备的通用寄存器，参加算术逻辑原酸的两个操作数隐含的从堆栈顶部弹出，送到运算器中进行原酸，运算的结果再隐含的压入堆栈。

2.6、地址指令比较

3、指令的操作码

　　指令系统中每一条指令都有一个唯一确定的操作码，指令不同，操作码的编码也不同。

　　操作码的编码分为 规整型 和 非规整型 两类编码。

3.1、规整性编码 - 定长编码

　　操作码的字段和位置是固定的，无论指令长度是多少位，操作码字段都是一样的。

　　指令格式如下：

3.2、非规整性编码 - 变长编码

　　变长编码的操作码字段的位数不固定，且分散的存放在指令字的不同位置上。

　　这种方式能有效的压缩指令中操作码字段的平均长度。适用于字长较短的小型、微型计算机。

指令格式如下：

　　最常用的非规整型编码方式是拓展操作码法。

　　若指令长度一定，地址码和操作码字段长度互相制约，为解决此锚段，让操作数地址个数多的指令操作码短些，操作数地址少的指令操作码长。如此既能充分利用指令的各个字段，又能在不增加指令长度的情况下拓展操作码的位数，使它能表示更多的指令。