第四章 指令系统#
4.1 指令系统的发展与性能要求#
指令系统基本概念
- 指令：就是要计算机执行某种操作的命令。从计算机组成的层次结构来说，计算机的指令有微指令、机器指令和宏指令之分。
- 微指令是微程序级的命令，它属于硬件；
- 宏指令：由若干条机器指令组成的软件指令，它属于软件；
- 机器指令：介于微指令与宏指令之间，通常简称为指令
- 每一条指令可完成一个独立的算术运算或逻辑运算操作。本章所讨论的指令，是机器指令。
- 一台计算机中所有机器指令的集合，称为这台计算机的指令系统。
- 指令系统是表征一台计算机性能的重要因素，它的格式与功能不仅直接影响到机器的硬件结构，而且也直接影响到系统软件，影响到机器的适用范围
4.1.1 指令系统的发展#
发展情况#
-
50 年代，指令系统只有定点加减、逻辑运算、数据传送、转移等十几至几十条指令
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60 年代后期，增加了乘除、浮点、十进制、字符串处理等指令，指令数目多达一二百条，寻址方式也趋多样化，开始出现系列计算机
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70 年代末期，大多数计算机的指令系统多达几百条，称这些计算机为复杂指令系统计算机 (CISC，Complex Instruction Set Computer)。
- 但是如此庞大的指令系统不但使计算机的研制周期变长，难以保证正确性，不易调试维护，而且由于采用了大量使用频率很低的复杂指令而造成硬件资源浪费，产生指令集所谓20：80 规律
- 即最常使用的简单指令仅占指令总数的 20%，但在程序中出现的频率却占 80%。
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于是人们又提出了便于 VLSI 技术实现的精简指令系统计算机 (RISC，Reduded Instruction Set Computer)
4.1.2 对指令系统性能的要求#
- 完备性：完备性是指用汇编语言编写各种程序时，指令系统直接提供的指令足够使用，而不必用软件来实现。 完备性要求指令系统丰富、功能齐全、使用方便。一台计算机中最基本、必不可少的指令是不多的。许多指令可用最基本的指令编程来实现。
- 有效性：有效性是指利用该指令系统所编写的程序能够高效率地运行。 高效率主要表现在程序占据存储空间小、执行速度快。
- 规整性：规整性包括指令系统的对称性、匀齐性、指令格式和数据格式的一致性。
- 对称性：在指令系统中所有的寄存器和存储器单元都可同等对待，所有的指令都可使用各种寻址方式；
- 匀齐性：一种操作性质的指令可以支持各种数据类型，如算术运算指令可支持字节、字、双字整数的运算，十进制数运算和单、双精度浮点数运算等；
- 指令格式和数据格式的一致性：指令长度和数据长度有一定的关系，以方便处理和存取。例如指令长度和数据长度通常是字节长度的整数倍。
- 兼容性：系列机各机种之间具有相同的基本结构和共同的基本指令集，因而指令系统是兼容的，即各机种上基本软件可以通用。 但由于不同机种推出的时间不同，在结构和性能上有差异，做到所有软件都完全兼容是不可能的，只能做到 **“向上兼容”**，即低档机上运行的软件可以在高档机上运行
4.2 指令格式#
- 指令格式：指令字用二进制代码表示的结构形式
- 指令能反映以下信息：
- 做什么操作
- 如果需要操作数，从哪里取
- 结果送哪里、下一条指令从哪里取
- 指令格式包括两个方面：
| 操作码字段 OP | 地址码字段 A |
|---|---|
| 表明指令的操作特性与功能 | 指定参与操作的操作数的地址 |
4.2.1 操作码#
- 设计计算机时，对指令系统的每一条指令都要规定一个操作码。
- 指令的操作码 OP 表示该指令应进行什么性质的操作，如进行加法、减法、乘法、除法、取数、存数等等。不同的指令用操作码字段的不同编码来表示，每一种编码代表一种指令。・例如，操作码 001 可规定为加法操作；操作码 010 可规定为减法操作
- 组成操作码字段的位数一般取决于计算机指令系统的规模。较大的指令系统就需要更多的位数来表示每条特定的指令。例如，一个指令系统有 32 条指令，则需要 5 位操作码。一般来说，一个包含 n 位的操作码最多能表示 2^n^ 条指令
4.2.2 地址码（重点）#
- 根据一条指令中有几个操作数地址，可将该指令称为几操作数指令或几地址指令
零地址指令#
| 操作码 OP |
|---|
| 功能：不需要操作数的指令，如 “停机”、“空操作”、“清除” 等控制类指令。 |
一地址指令#
| 操作码 OP | 操作数 A1 |
|---|---|
| 功能描述： OP (A1) →A1 | |
| (AC) OP (A1) →AC | |
| 隐含约定操作数在累加器 AC 中 |
二地址指令#
| 操作码 OP | 操作数 A1 | 操作数 A2 |
|---|---|---|
| A1: 源 / 目的操作数地址 | ||
| A2: 目的 / 源操作数地址 | ||
| 功能描述： | ||
| (A1) OP (A2)→A1 | ||
| (A1) OP (A2)→A2 |
二地址指令根据操作数的物理位置分为
- SS 存储器 - 存储器类型
- RS 寄存器 - 存储器类型
- RR 寄存器 - 寄存器类型
三地址指令#
| 操作码 | A1 | A2 | A3 |
|---|---|---|---|
| A1: 被操作数地址，也称源操作数地址 | |||
| A2: 操作数地址，也称目的操作数地址 | |||
| A3: 存放操作结果的地址 | |||
| 功能描述：(A1) OP (A2)→A3 |
4.2.3 指令字长度 （重点）#
概念#
- 指令字长度：一个指令字包含二进制代码的位数）
- 机器字长：计算机能直接处理的二进制数据的位数。
- 单字长指令: 指令字长度等于机器字长度的指令。
- 半字长指令: 指令字长度等于半个机器字长度的指令。
- 双字长指令: 指令字长度等于两个机器字长度的指令。
多字长指令的优缺点#
- 优点：提供足够的地址位来解决访问内存任何单元的寻址问题 ；
- 缺点：必须两次或多次访问内存以取出一整条指令，降低了 CPU 的运算速度，又占用了更多的存储空间。
- 指令系统中指令采用等长指令的优点：各种指令字长度是相等的，指令字结构简单，且指令字长度是不变的 ；
- 采用非等长指令的的优点：各种指令字长度随指令功能而异，结构灵活，能充分利用指令长度，但指令的控制较复杂 。
- 题目一般默认机器字长为 16 位，如下题
4.3 操作数类型#
4.3.1 一般的数据类型#
- 地址数据: 地址实际上也是一种形式的数据。
- 数值数据: 计算机中普遍使用的三种类型的数值数据。
- 定点整数或定点小数、浮点数、压缩十进制数
- 字符数据: 文本数据或字符串，目前广泛使用 ASCII 码。
- 逻辑数据: 一个单元中有若干二进制 bit 项组成，每个 bit 的值可以是 1 或 0。当数据以这种方式看待时，称为逻辑性数据。
4.4 指令和数据的寻址方式 （重点！）#
- 在存储器中，操作数或指令字写入或读出的方式，有地址指定方式、相联存储方式和堆栈存取方式。几乎所有的计算机，在内存中都采用地址指定方式。
- 寻址方式：形成操作数或指令地址的方式
- 指令寻址方式：用于形成指令在内存中的地址
- 数据寻址方式：用于形成操作数在内存中的地址
4.4.1 指令寻址方式#
- 顺序寻址方式
- 跳跃方式
4.4.2 操作数寻址方式#
根据指令中给出的地址码字段寻找真实操作数的方式，即形成操作数的有效地址的方法，称为操作数的寻址方式。 例如，一种单地址指令的结构如下：
| 操作码 OP | 变址 X 间址 I | 形式地址 A |
|---|---|---|
| 寻址方式特征位 | 偏移量 |
寻址过程就是把操作数的形式地址，变换为操作数的有效地址的过程。
1、隐含寻址#
- 特点：在指令中不明显地给出操作数地地址，而是隐含着操作数的地址
- 单地址的指令格式，在指令地址字段中，没有指明第二操作数的地址，而是规定累加器 AC 作为第二操作数地址，AC 就是一个隐含地址
2、立即寻址#
- 特点：立即寻址是一种特殊的寻址方式，指令的地址字段指出的不是操作数地址，而是操作数本身
- 数据就包含在指令中，只要取出指令，就取出了可以立即使用的操作数，因此，这样的操作数被称为立即数。
- 指令中包含的操作数立即可用，节省了访问内存的时间
- 指令格式：操作码 OP 操作数 A
- 例： 指令 mov ax, 100
3、直接寻址#
- 特点：指令中地址码字段给出的地址 A 就是操作数的有效地址 EA(Effective Address)，又称为直接地址，即 EA＝A。
4、间接寻址#
- 特点：指令地址字段中的形式地址 A 不是操作数的真正地址，而是操作数地址的指示器，即：A 的内容才是操作数的有效地址操作数的有效地址：EA＝(A)【就套娃呗（】
5、寄存器寻址#
- 特点：操作数不在内存中，而是放在通用寄存器中
- 指令中给出的操作数地址不是内存的地址单元编号，而是通用寄存器的编号，指令的操作数存放在相应的寄存器中，即 EA=R~i~
优点
- 由于寄存器在 CPU 的内部，指令在执行时从寄存器中取操作数比访问主存要快得多；
- 由于寄存器的数量较少，因此寄存器编号所占位数也较少，从而可以有效减少指令的地址码字段的长度。
6、寄存器间接寻址#
-
特点：指令中的寄存器内容不是操作数，而是操作数的地址，真正的操作数在内存中。即将操作数放在主存储器中，而操作数的地址放在某一通用寄存器中，然后在指令的地址码部分给出该通用寄存器的编号，这时有 EA=(Ri)【套娃再套娃呗（】
-
优点：这种寻址方式的指令较短，并且在取指后只需一次访存便可得到操作数，因此指令执行速度较前述的间接寻址方式要快，也是目前在计算机中使用较为广泛的一种寻址方式。
7、偏移寻址#
- 直接寻址和寄存器间接寻址方式的结合
- 有效地址：EA＝A+(R)，A 是形式地址
- 要求指令中有两个地址字段，至少其中一个是显示的。
- 形式地址 A 直接被使用
- 常用的三种偏移寻址是：
- 相对寻址、基址寻址、变址寻址
- 相对寻址：由程序计数器 PC 提供基准地址，而指令的地址码部分给出相对的位移量 D，两者相加后作为操作数的有效地址，即：EA＝(PC)＋D。程序计数器的内容就是当前指令的地址。
- 基址寻址：基址寄存器的位数可以设置得很长，从而可以在较大的存储空间中寻址。
- 变址寻址：变址寻址就是将指令的地址码部分给出的基准地址 A 与 CPU 内某特定的变址寄存器 Rx 中的内容相加，以形成操作数的有效地址
8、段寻址方式#
- 微型机中采用了段寻址方式，其实质还是基址寻址
- 将 1MB 主存储器空间按照最大长度 64KB 划分成若干段，在寻址一个具体的内存单元时，由一个基地址寄存器 (段寄存器) 再加上指令中提供的 16 位偏移量来形成实际的 20 位物理地址
9、堆栈寻址堆栈#
- 能存取数据的暂时存储单元
- 两种形式：寄存器堆栈和存储器堆栈
- 存储原则：先进后出
- 数据的存取都通过栈顶，需要一个隐式或显式的堆栈指示器 (栈顶指针)
- 堆栈指令：PUSH、POP
[例 4] 一种二地址 RS 型指令的结构如下：
6 位 4 位 1 位 2 位 16 位
OP 通用寄存器 I X 偏移量 D
其中 I 为间接寻址标志位，X 为寻址模式字段，D 为偏移量字段。通过 I，X，D 的组合，可构成如下寻址方式：
请写出 6 种寻址方式的名称。