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指令系统

7.1 机器指令

计算机就是连续执行每一条机器语句而实现全自动工作的。

• 把每一条机器语言的语句称为机器指令；

• 又将全部机器指令的集合称为机器的指令系统 / 指令集。

  指令集就是计算机系统软件和硬件的交界面，软件通过指令系统告诉计算机的硬件做什么操作，计算机的硬件通过指令系统把运算结果和硬件的状态返回给软件。

7.1.1 指令的一般格式

指令是由操作码和地址码两部分组成的

• 操作码

  操作码用来指明该指令所要完成的操作。通常,其位数反映了机器的操作种类, 也即机器允许的指令条数,如操作码占7位,则该机器最多包含2⁷=128 条指令

  实际上操作码的作用远远不止反映机器做什么操作，很多机器的指令集当中，操作码还要指出对什么样的数据进行操作，例如IBM360的指令系统当中，同样是加法操作，因为参与加法操作的数据的类型不一样，表示的基值不一样，一个加法指令实际上是八条指令，分别对应了对定点数加法、浮点数加法、在浮点数加法中尾数的基值是二进制还是十六进制等等。
  另外在有些机器的指令集当中，操作码还指出了操作数的寻址方式。

  • 固定长

    • 将操作码集中放在指令字的一个字段内。这种格式便于硬件设计,指令译码时间短,广泛用于字长较长的、大中型计算机和超级小型计算机以及RISC(Reduced Instruction Set Computer)中。

  • 可变长

    • 操作码长度不固定会增加指令译码和分析的难度,使控制器的设计复杂。通常采用扩展操作码技术,使操作码的长度随地址数的减少而增加,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。

      

• 地址码

  

7.1.2 指令字长

​

7.2 操作数类型和操作类型

7.2.1 操作数类型

机器中常见的操作数类型有地址、数字、字符、逻辑数据等。

​ (1)地址

​ 地址实际上也可看做是一种数据,在许多情况下要计算操作数的地址。地址可被认为是一个无符号的整数。

​ (2)数字

​ 计算机中常见的数字有定点数、浮点数和十进制数

​ (3)字符

​ 普遍采用 ASCI 码，还有其他一些字符编码 - 扩展BCD交换码等。

​ (4)逻辑数据

​ 作逻辑运算,此时n个0和1的组合不是被看做算术数字,而是被看做逻辑数。

7.2.2 数据在存储器中的存放方式

字节编址

7.2.3 操作类型

1. 数据传送

   -	-	-	-	-
   源	寄存器	寄存器	存储器	存储器
   目的	寄存器	存储器	寄存器	存储器
   例如	MOVE	STORE	LOAD	MOVE
   		MOVE	MOVE
   		PUSH	POP

   置“1”，清“0”

2. 算术逻辑操作

   加、减、乘、除、增1、减1、求补、浮点运算、十进制运算、与、或、非、异或、位操作、位测试、位清除、位求反

   如 8086ADD SUB MUL DIV INC DEC CMP NEG
   AAA AAS AAM AAD
   AND OR NOT XOR TEST

3. 移位

   移位可分为算术移位、逻辑移位和循环移位(带进位和不带进位)三种。

   算术移位和逻辑移位分别可实现对有符号数和无符号数乘以2ⁿ(左移)或整除以2ⁿ(右移)的运算,并且移位操作所需时间远比乘除操作执行时间短,因此,移位操作经常被用来代替简单的乘法和除法运算。

4. 转移

   (1)无条件转移

   无条件转移不受任何条件约束,可直接把程序转移到下一条需执行指令的地址。

   例如“JMP X"其功能是将指令地址无条件转至X

   (2)条件转移

   

   (3)调用与返回

   ​

   (4)陷阱(Trap)与陷阱指令

5. 输入输出

   并不是每一种指令集都有输入输出指令，如果I/O端口的编址空间被作为内存编址空间的一部分，那么这个指令集就不需要输入输出指令，直接用访问内存的指令就可以对外部设备进行输入输出，如果外部设备有自己的独立地址空间单独编址，就需要单独的输入输出指令对外设进行访问。

   ​

6. 其他

   其他包括 等待指令、停机指令、空操作指令、开中断指令、关中断指令、条件码指令 等。

   为了适应计算机的信息管理、数据处理及办公自动化等领域的应用,有的计算机还设有 非数值处理指令 。如字符串传送、字符串比较、字符串查询及字符串转换等。

   在多用户、多任务的计算机系统中,还设有 特权指令 ,这类指令只能用于操作系统或其他系统软件,用户是不能使用的。

   在有些大型或巨型机中,还设有 向量指令 ,可对整个向量或矩阵进行求和、求积运算。

   在多处理器系统中还配有专门的 多处理机指令 。

7.3 寻址方式

确定本条指令的操作数地址

下一条要执行指令的指令地址

7.3.1 指令寻址

7.3.1.1 顺序寻址

取完一条指令后，顺序的取下一条指令。

( PC ) + 1 → PC

内存单元的编址单位是字节，每一条指令的长度是32位（四个字节），顺序存储每次加的值就是4，

如果指令的长度是64位，则PC+8。

如果指令是可变长度的话，这个1会更加复杂。

7.3.1.2 跳跃寻址

由转移指令给出下一条指令地址

7.3.2 数据寻址

​

7.3.2.1 立即寻址

​

7.3.2.2 直接寻址

​

7.3.2.3 隐含寻址

7.3.2.4 间接寻址

7.3.2.5 寄存器寻址

​

7.3.2.6 寄存器(间接)寻址

7.3.2.7 基址寻址

基址寄存器可采用隐式的和显式的两种。

所谓隐式,是在计算机内专门设有一个基址寄存器BR,使用时用户不必明显指出该基址寄存器,只需由指令的寻址特征位反映出基址寻址即可。

显式是在一组通用寄存器里,由用户明确指出哪个寄存器用做基址寄存器,存放基地址。

• 采用专用寄存器作为基址寄存器，有效地址是基址寄存器中的内容加上形式地址（形式地址实际上就是一个偏移量）。

​

• 采用通用寄存器作基址寄存器

7.3.2.8 变址寻址

7.3.2.9 相对寻址

7.3.2.10 堆栈寻址

在计算机的硬件实现的栈是高地址向低地址方向，即栈顶是低地址，栈底是高地址。

7.4 指令格式举例

7.4.1 设计指令时应考虑的各种因素

1. 指令系统的 兼容性

2. 其他因素

   操作类型 包括指令个数及操作的难易程度

   数据类型 确定哪些数据类型可参与操作

   指令格式 指令字长是否固定操作码位数,是否采用扩展操作码技术地址码位数,地址个数,寻址方式类型

   寻址方式 指令寻址、操作数寻址

   寄存器个数 寄存器的多少直接影响指令的执行时间

7.4.2 举例

• PDP - 8

  

• PDP - 11

  

• IBM 360

• Intel8086

  

7.5 RISC技术

7.5.1 RISC的产生和发展

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

RISC技术 —— 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
• 执行频度高的简单指令，因复杂指令的存在，执行速度无法提高
• 能否用20%的简单指令组合不常用的80%的指令功能

7.5.2 RISC的主要特征

• 选用使用频度较高的一些简单指令复杂指令的功能由简单指令来组合
• 指令 长度固定、指令格式种类少、寻址方式少
• 只有 LOAD /STORE 指令访存
• CPU 中有多个 通用寄存器
• 采用 流水技术 一个时钟周期内完成一条指令
• 采用 组合逻辑 实现控制器

7.5.3 CISC的主要特征

• 系统指令复杂庞大，各种指令使用频度相差大指令
• 长度不固定、指令格式种类多、寻址方式多
• 访存 指令 不受限制
• CPU 中设有 专用寄存器
• 大多数指令需要 多个时钟周期 执行完毕
• 采用 微程序 控制器

7.5.4 RISC与CISC的比较

• RISC更能 充分利用 VLSI 芯片的面积【VLSI芯片：超大规模集成电路（Very Large Scale Integration Circuit）】
• RISC 更能 提高计算机运算速度
  • 指令数、指令格式、寻址方式少
  • 通用 寄存器多，减少访存次数
  • 采用 组合逻辑比微程序延迟小，缩短CPU周期
  • 便于实现 指令流水
• RISC 便于设计，可 降低成本，提高 可靠性
• RISC 不易 实现 指令系统兼容

参考：
教材：计算机组成原理 (唐朔飞).pdf
视频：
https://www.bilibili.com/video/BV1t4411e7LH?p=107&vd_source=a89593e8d33b31a56b894ca9cad33d33