计组学习笔记之指令系统

1 指令格式

1.1 指令的定义

• 指令是指示计算机执行某种操作的命令，是计算机运行的最小功能单位
• 一台计算机的所有指令的集合构成该机的指令系统，也称为指令集
• 一台计算机只能执行自己指令系统中的指令，不能执行其他系统的指令

1.2 指令的格式

• 一条指令 = 操作码字段 + 地址码字段
  • 操作码：指出指令的功能
  • 地址码：给出被操作信息的地址

​

1.3 四地址指令

假设指令字长 32 位，操作码占 8 位，则四个地址码各占 6 位

• 指令含义：$(A_1)OP(A_2)\rightarrow A_3,\ A_4=$ 下条指令的地址

• 指令在内存中的分布

  

• 完成一条指令的访存次数（4 次）

  • 取指令：访存 1 次
  • 取两个操作数：访存 2 次
  • 存回结果：访存 1 次

• 指令操作数直接寻址范围：$2^6=64$

1.4 三地址指令

假设指令字长和存储字长均为 32 位，操作码占 8 位，则三个地址码各占 8 位

• 指令含义：$(A_1)OP(A_2)\rightarrow A_3$

• 指令在内存中的分布

  • 执行完当前指令后，程序计数器（PC）自动加一，执行下一条指令

  

• 完成一条指令的访存次数（4 次）

  • 取指令：访存 1 次
  • 取两个操作数：访存 2 次
  • 存回结果：访存 1 次

• 指令操作数直接寻址范围：$2^8=256$

1.5 二地址指令

假设指令字长和存储字长均为 32 位，操作码占 8 位，则两个地址码各占 12 位

• 指令含义：$(A_1)OP(A_2)\rightarrow A_1$
• 完成一条指令的访存次数（4 次）
  • 取指令：访存 1 次
  • 取两个操作数：访存 2 次
  • 存回结果：访存 1 次
• 指令操作数直接寻址范围：$2^{12}=4K$

1.6 一地址指令

假设指令字长和存储字长均为 32 位，操作码占 8 位，则一个地址码占 24 位

• 指令含义
  • $OP(A_1)\rightarrow A_1$ ，如加一、减一、取反、求补等（访存 3 次）
  • $(ACC)OP(A_1)\rightarrow ACC$ ，隐含约定的目的地址为 ACC （访存 2 次）
• 完成一条指令的访存次数（3 次）
  • 取指令：访存 1 次
  • 取操作数：访存 1 次
  • 存回结果：访存 1 次
• 指令操作数直接寻址范围：$2^{24}=16M$

1.7 零地址指令

• 指令含义
  • 不需要操作数，若空操作、停机、关机、中断等
  • 堆栈计算机，两个操作数隐含存放在栈顶和次栈顶，计算结果押回栈顶

1.8 操作码

• 分类
  • 定长操作码
    • 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
    • n 位 $\rightarrow 2^n$ 条指令
    • 优：定长操作码对于简化计算机硬件设计，提高指令译码和识别速度很有利
    • 缺：指令数量增加时会占用更多固定位，留给表示操作数地址的位数受限
  • 扩展操作码
    • 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
    • 最常见的变长操作码方法是扩展操作码，使操作码的长度随地址码的减少而増加，不同地址数的指令可以具有不同长度的操作码，从而在满足需要的前提下，有效地缩短指令字长
    • 优：在指令字长有限的前提下仍保持比较丰富的指令种类
    • 缺：増加了指令译码和分析的难度，使控制器的设计复杂化
    • 设地址长度为 n，上一层留出 m 种状态，则下一层可扩展出 $m*2^n$ 种状态

1.9 操作类型

• 数据传送
  • LOAD：把存储器中的数据放到寄存器中
  • STORE：把寄存器中的数据放到存储器中
• 算术逻辑操作
  • 算术：加、减、乘、除、増1、减1、求补、浮点运算、十进制运算
  • 逻辑：与、或、非、异或、位操作、位测试、位清除、位求反
• 移位操作
  • 算术移位、逻辑移位、循环移位（带进位和不带进位）
• 转移操作
  • 无条件转移 JMP
  • 条件转移
    • JZ：结果为0
    • JO：结果溢出
    • JC：结果有进位
  • 调用和返回 CALL 和 RETURN
  • 陷阱 (Trap) 与陷阱指令
• 输入输出操作
  • CPU 寄存器与 IO 端口之间的数据传送

2 指令寻址

2.1 定义

• 指令寻址：下一条欲执行的指令的指令地址
• 机器字长：CPU 一次能处理的二进制数据的位数
• 指令字长：一个指令字中包含二进制代码的位数
• 存储字长：一个存储单元存储二进制代码的长度
• 编址方式
  • 按字节编址
  • 按字编址

2.2 寻址方式

• 顺序寻址：执行完当前指令，程序计数器自动加一，指向下一条指令的地址
• 跳跃寻址：由转移指令指出下条指令的地址

​

3 数据寻址

3.1 操作数类型

• 地址：无符号数表示
• 数字：定点数、浮点数
• 字符：ASCII 码
• 逻辑数：逻辑运算

3.2 指令地址分类

• 一地址指令：操作码 + 寻址特征 + 形式地址

  

• 二地址指令：操作码 + 寻址特征 + 形式地址1 + 寻址特征 + 形式地址2

  

3.3 寻址方式

以下均假设指令字长 = 机器字长 = 存储字长，操作数为 3

1 立即寻址

• 定义：形式地址 A 就是操作数本身，又称为立即数，一般采用补码形式（# 表示立即寻址）

• 访存次数（共访存 1 次，暂不考虑存结果）
  • 取指令： 1 次
  • 执行指令： 0 次
• 优点：指令执行阶段不访问主存，指令执行时间最短
• 缺点：A 的位数限定了立即数的范围（设 A 为 n 位，范围仅为 $[-2^{n-1}, 2^{n-1}-1]$）

2 直接寻址

• 定义：指令字中的形式地址 A ，就是操作数的真是地址 EA，即 $EA=A$

  

  

• 访存次数（共访存 2 次，暂不考虑存结果）

  • 取指令： 1 次
  • 执行指令：1 次

• 优点：简单，指令执行阶段仅仅访问一次主存，不需要专门计算操作数的地址

• 缺点：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

3 间接寻址

• 定义：指令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，也即操作数地址的地址，即 $EA = (A)$

  

  

• 访存次数（n 次间址，共访存 2 + n 次，暂不考虑存结果）

  • 取指令：1次
  • 执行指令：n 次间址，访存 n + 1 次

• 优点

  • 可扩大寻址范围（有效地址 EA 的位数大于形式地址 A 的位数）
  • 便于编制程序（用间接寻址可以方便地完成子程序返回）

• 缺点：指令在执行阶段要多次访存

4 寄存器寻址

• 定义：在指令字中直接给出操作数所在的寄存器的编号 $R_i$ ，其操作数在由 $R_i$ 所指的寄存器内，即 $EA=R_i$

  

  

• 访存次数（共访存 1 次，暂不考虑存结果）

  • 取指令： 1 次

  • 执行指令： 0 次

• 优点

  • 指令在执行阶段不访问主存，只访问寄存器
  • 指令字短且执行速度快
  • 支持向量/矩阵运算

• 缺点：寄存器价格昂贵，计算机中寄存器个数有限

5 寄存器间接寻址

• 定义：寄存器 $R_i$ 给出的不是一个操作数，而是操作数在主存中所在单元的地址，即 $EA=(R_i)$

  

  

• 访存次数（共访存 2 次，暂不考虑存结果）

  • 取指令： 1 次
  • 执行指令：1 次

• 特点：与一般的间接寻址相比速度更快，但指令的执行阶段需要访问主存

6 隐含寻址

• 定义：不是明显的给出操作数的地址，而是在指令中隐含操作数的地址

  

• 优点：有利于缩短指令字长

• 缺点：需要增加存储操作数或隐含地址的硬件

7 基址寻址

• 定义：将 CPU 对应基址寄存器（BR）的内容加上指令格式中的形式地址 A ，形成操作数的有效地址，即 $EA=(BR)+A$

  

• 类型：偏移寻址

  • 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）
  • 用户不必考虑自已的程序存于主存的哪空间区域，故有利于多道程序设计，以及可用于编制浮动程序

• 特点

  • 基址寄存器是面向操作系统的，其内容由操作系统或管理程序确定
  • 在程序执行过程中，基址寄存器的内容不变（作为基地址），形式地址可变（作为偏移量）
  • 当采用通用寄存器作为基址寄存器时，可由用户决定哪个寄存器作为基址寄存器，但其内容仍由操作系统确定

8 变址寻址

• 定义：有效地址 EA 等于指令字中的形式地址 A 与变址寄存器 IX 中的内容相加之和，即 $EA=(IX)+A$ ，其中 IX 为变址寄存器（专用），也可用通用寄存器作为变址寄存器

  

• 特点

  • 变址寄存器是面向用户的，在程序执行过程中，变址寄存器的内容可由用户改变（作为偏移量），形式地址 A 不变（作为基地址）

• 在数组处理过程中，可设定 A 为数组的首地址，不断改变变址寄存器 Ⅸ 的内容，便可很容易形成数组中任数据的地址，特别适合编制循环程序

9 相对寻址

• 定义：把程序计数器 PC 的内容加上指令格式中的形式地址 A 而形成操作数的有效地址，即 $EA=(PC)+A$ ，其中 A 是相对于当前指令地址的位移量，可正可负，补码表示

  

• 优点

  • 操作数的地址不是固定的，它随着 PC 值的变化而变化，并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

10 堆栈寻址

• 定义：操作数存放在堆栈中，隐含使用堆栈指针（SP）作为操作数地址

  • 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，该存储区中被读/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)

    

3.4 寻址方式总结

寻址方式	有效地址	访存次数（指令执行期间）
隐含寻址	程序指定	0
立即寻址	$A$ 即是操作数	0
直接寻址	$EA = A$	1
一次间接寻址	$EA = (A)$	2
寄存器寻址	$EA = R_i$	0
寄存器间接一次寻址	$EA = (R_i)$	1
相对寻址	$EA=(PC)+A$	1
基址寻址	$EA=(BR)+A$	1
变址寻址	$EA=(IX)+A$	1

4 CISC 和 RISC

4.1 设计思路

• CISC
  • Complex Instruction Set Computer
  • 设计思路：一条指令完成一个复杂的基本功能
  • 代表：x86、用于笔记本、台式机
• RISC
  • Reduced Instruction Set Computer
  • 设计思路：一条指令完成一个基本“动作”，多条指令组合完成一个复杂基本操作
  • 代表：ARM 架构，用于手机、平板

4.2 两者对比

类别 / 项目	CISC	RISC
指令系统	复杂，庞大	简单，精简
指令数目	般大于200条	般小于100条
指令字长	不固定	定长
可访存指令	不加限制	只有 Load / Store 指令
各种指令执行时间	相差较大	绝大多数在一个周期内完成
各种指令使用频度	相差很大	都比较常用
通用寄存器数量	较少	较多
目标代码	难以用优化编译生成高效的目标代码程序	采用优化的编译程序，生成代码较为高效
控制方式	绝大多数为微程序控制	绝大多数为组合逻辑控制
指令流水线	可以通过一定方式实现	必须实现

5 本章总结

• 思维导图

  

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