计算机组成原理(四)指令系统
4.1 指令格式
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。
4.1.1 指令的基本格式
一条指令通常要包括操作码字段和地址码字段两部分，根据指令操作数地址码的数目不同，可分为以下几种格式
- 零地址指令[^OP]
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不需要操作数，如空操作、停机、关中断等指令
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堆栈计算机，两个操作数隐含存放在栈顶和次栈顶，计算结果压回栈顶
- 一地址指令[^OP|A1]
- 二地址指令[^OP|A1(目的操作数)|A2(源操作数)]
- 常用于需要两个操作数的算术运算、逻辑运算相关指令[3]
- 三地址指令[^OP|A1|A2|A3(结果)]
- 常用于需要两个操作数的算术运算、逻辑运算相关指令[4]
- 四地址指令[^OP|A1|A2|A3(结果)|A4(下址)]
- 执行指令后，将PC的值修改位A4所指地址,A4=下一条将要执行指令的地址[4]
4.1.2 定长操作码指令格式
指令字长：一条指令的总长度（可能会变）
机器字长：CPU进行一次整数运算所能处理的二进制数据的位数（通常和ALU直接相关）
存储字长：一个存储单元中的二进制代码位数（通常和MDR位数相同）
我们所说的半字长指令、单字长指令、双字长指令是指指令长度是机器字长的多少倍
指令字长会影响取指令所需时间。如：机器字长=存储字长=16bit，则取一条双字长指令需要两次访存
定长操作码：指令系统中所有指令的操作码长度都相同，控制器的译码电路设计简单，但灵活性较低
可变长操作码：指令系统中各指令的操作码长度可变控制器的译码电路设计复杂，但灵活性较高
4.1.3 指令的操作类型
- 数据传送
- LOAD 作用：把存储器中的数据放到寄存器中
- STORE 作用：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、增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(端口即IO接口中的寄存器)
4.1.4 扩展操作码指令格式
采用定长指令字结构和可变长操作码称为扩展操作码指令格式，不同地址数的指令使用不同长度的操作码
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在设计扩展操作码指令格式时，必须注意以下两点：
- 不允许短码是长码的前缀，即短操作码不能与长操作码的前面部分的代码相同。
- 各指令的操作码一定不能重复。
设地址长度为n，上一层留出m种状态，下一层可扩展出的状态数为：
4.2 指令的寻址方式
4.2.1 指令寻址
指令寻址：寻找下一条将要执行的指令地址
- 顺序寻址：通过程序计数器(PC)+“1”(指令字长)自动形成下一条指令的地址
- 跳跃寻址：跳跃寻址通过转移类指令，如CALL和JMP，导致PC值改变
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4.2.2 数据寻址
数据寻址：确定本条指令的地址码指明的真实地址或有效地址(EA)
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直接寻址：指令字中的形式地址A就是操作数的真实地址EA，即EA=A。优点：简单，指令执行阶段仅访问一次主存，不需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。
直接寻址.png
- 间接寻址：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，也就是操作数地址的地址，即EA=(A)。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(一次间址需两次访存，多次寻址需根据存储字的最高位确定几次访存)。
间接寻址.png
- 寄存器寻址：在指令字中直接给出操作数所在的寄存器编号，即EA =Ri，其操作数在由Ri所指的寄存器内。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。
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- 寄存器间接寻址：寄存器Ri中给出的不是一个操作数，而是操作数所在主存单元的地址，即EA=(Ri)。特点：与一般间接寻址相比速度更快，但指令的执行阶段需要访问主存(因为操作数在主存中)。
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- 隐含寻址：不是明显地给出操作数的地址，而是在指令中隐含着操作数的地址。优点：有利于缩短指令字长。缺点：需增加存储操作数或隐含地址的硬件。
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- 立即寻址：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。立即寻址特征为#。优点：指令执行阶段不访问主存，指令执行时间最短。缺点：A的位数限制了立即数的范围。
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- 基址寻址：将CPU中基址寄存器（BR）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=(BR)+A。优点：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）；用户不必考虑自己的程序存于主存的哪一空间区域，故有利于多道程序设计，以及可用于编制浮动程序（整个程序在内存里边的浮动）。
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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。
- 变址寻址：有效地址EA等于指令字中的形式地址A与变址寄存器IX的内容相加之和，即EA= (IX)+A，其中IX可为变址寄存器（专用），也可用通用寄存器作为变址寄存器。优点：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一数据的地址，特别适合编制循环程序。
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（IX作为偏移量），形式地址A不变（作为基地址）。
- 相对寻址：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PC所指地址的位移量，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（一段代码在程序内部的浮动）。相对寻址广泛应用于转移指令。
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- 堆栈寻址：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）。
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4.3 CISC和RISC的基本概念
CISC(Complex Instruction Set Computer )：一条指令完成一个复杂的基本功能。
RISC(Reduced Instruction Set Computer)：一条指令完成一个基本“动作”；多条指令组合完成一个复杂的基本功能。
80-20规律：典型程序中80% 的语句仅仅使用处理机中20% 的指令
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