第四章 指令系統#
4.1 指令系統的發展與性能要求#
指令系統基本概念
- 指令：就是要計算機執行某種操作的命令。從計算機組成的層次結構來說，計算機的指令有微指令、機器指令和宏指令之分。
- 微指令是微程序級的命令，它屬於硬體；
- 宏指令：由若干條機器指令組成的軟體指令，它屬於軟體；
- 機器指令：介於微指令與宏指令之間，通常簡稱為指令
- 每一條指令可完成一個獨立的算術運算或邏輯運算操作。本章所討論的指令，是機器指令。
- 一台計算機中所有機器指令的集合，稱為這台計算機的指令系統。
- 指令系統是表徵一台計算機性能的重要因素，它的格式與功能不僅直接影響到機器的硬體結構，而且也直接影響到系統軟體，影響到機器的適用範圍
4.1.1 指令系統的發展#
發展情況#
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50 年代，指令系統只有定點加減、邏輯運算、資料傳送、轉移等十幾至幾十條指令
-
60 年代後期，增加了乘除、浮點、十進制、字串處理等指令，指令數目多達一二百條，尋址方式也趨多樣化，開始出現系列計算機
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70 年代末期，大多數計算機的指令系統多達幾百條，稱這些計算機為複雜指令系統計算機 (CISC，Complex Instruction Set Computer)。
- 但是如此龐大的指令系統不但使計算機的研製週期變長，難以保證正確性，不易調試維護，而且由於採用了大量使用頻率很低的複雜指令而造成硬體資源浪費，產生指令集所謂20：80 規律
- 即最常使用的簡單指令僅占指令總數的 20%，但在程式中出現的頻率卻占 80%。
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於是人們又提出了便於 VLSI 技術實現的精簡指令系統計算機 (RISC，Reduced Instruction Set Computer)
4.1.2 對指令系統性能的要求#
- 完備性：完備性是指用匯編語言編寫各種程式時，指令系統直接提供的指令足夠使用，而不必用軟體來實現。 完備性要求指令系統豐富、功能齊全、使用方便。一台計算機中最基本、必不可少的指令是不多的。許多指令可用最基本的指令編程來實現。
- 有效性：有效性是指利用該指令系統所編寫的程式能夠高效率地運行。 高效率主要表現在程式佔據儲存空間小、執行速度快。
- 規整性：規整性包括指令系統的對稱性、均齊性、指令格式和資料格式的一致性。
- 對稱性：在指令系統中所有的寄存器和儲存器單元都可同等對待，所有的指令都可使用各種尋址方式；
- 均齊性：一種操作性質的指令可以支持各種資料類型，如算術運算指令可支持字節、字、雙字整數的運算，十進制數運算和單、雙精度浮點數運算等；
- 指令格式和資料格式的一致性：指令長度和資料長度有一定的關係，以方便處理和存取。例如指令長度和資料長度通常是字節長度的整數倍。
- 兼容性：系列機各機種之間具有相同的基本結構和共同的基本指令集，因此指令系統是兼容的，即各機種上基本軟體可以通用。但由於不同機種推出的時間不同，在結構和性能上有差異，做到所有軟體都完全兼容是不可能的，只能做到 **“向上兼容”**，即低檔機上運行的軟體可以在高檔機上運行
4.2 指令格式#
- 指令格式：指令字用二進制代碼表示的結構形式
- 指令能反映以下信息：
- 做什麼操作
- 如果需要操作數，從哪裡取
- 結果送哪裡、下一條指令從哪裡取
- 指令格式包括兩個方面：
| 操作碼字段 OP | 地址碼字段 A |
|---|---|
| 表明指令的操作特性與功能 | 指定參與操作的操作數的地址 |
4.2.1 操作碼#
- 設計計算機時，對指令系統的每一條指令都要規定一個操作碼。
- 指令的操作碼 OP 表示該指令應進行什麼性質的操作，如進行加法、減法、乘法、除法、取數、存數等等。不同的指令用操作碼字段的不同編碼來表示，每一種編碼代表一種指令。例如，操作碼 001 可規定為加法操作；操作碼 010 可規定為減法操作
- 組成操作碼字段的位數一般取決於計算機指令系統的規模。較大的指令系統就需要更多的位數來表示每條特定的指令。例如，一個指令系統有 32 條指令，則需要 5 位操作碼。一般來說，一個包含 n 位的操作碼最多能表示 2^n^ 條指令
4.2.2 地址碼（重點）#
- 根據一條指令中有幾個操作數地址，可將該指令稱為幾操作數指令或幾地址指令
零地址指令#
| 操作碼 OP |
|---|
| 功能：不需要操作數的指令，如 “停機”、“空操作”、“清除” 等控制類指令。 |
一地址指令#
| 操作碼 OP | 操作數 A1 |
|---|---|
| 功能描述： OP (A1) →A1 | |
| (AC) OP (A1) →AC | |
| 隱含約定操作數在累加器 AC 中 |
二地址指令#
| 操作碼 OP | 操作數 A1 | 操作數 A2 |
|---|---|---|
| A1: 源 / 目的操作數地址 | ||
| A2: 目的 / 源操作數地址 | ||
| 功能描述： | ||
| (A1) OP (A2)→A1 | ||
| (A1) OP (A2)→A2 |
二地址指令根據操作數的物理位置分為
- SS 儲存器 - 儲存器類型
- RS 寄存器 - 儲存器類型
- RR 寄存器 - 寄存器類型
三地址指令#
| 操作碼 | A1 | A2 | A3 |
|---|---|---|---|
| A1: 被操作數地址，也稱源操作數地址 | |||
| A2: 操作數地址，也稱目的操作數地址 | |||
| A3: 存放操作結果的地址 | |||
| 功能描述：(A1) OP (A2)→A3 |
4.2.3 指令字長度 （重點）#
概念#
- 指令字長度：一個指令字包含二進制代碼的位數）
- 機器字長：計算機能直接處理的二進制資料的位數。
- 單字長指令: 指令字長度等於機器字長度的指令。
- 半字長指令: 指令字長度等於半個機器字長度的指令。
- 雙字長指令: 指令字長度等於兩個機器字長度的指令。
多字長指令的優缺點#
- 優點：提供足夠的地址位來解決訪問記憶體任何單元的尋址問題 ；
- 缺點：必須兩次或多次訪問記憶體以取出一整條指令，降低了 CPU 的運算速度，又佔用了更多的儲存空間。
- 指令系統中指令採用等長指令的優點：各種指令字長度是相等的，指令字結構簡單，且指令字長度是不變的 ；
- 採用非等長指令的的優點：各種指令字長度隨指令功能而異，結構靈活，能充分利用指令長度，但指令的控制較複雜 。
- 題目一般默認機器字長為 16 位，如下題
4.3 操作數類型#
4.3.1 一般的資料類型#
- 地址資料: 地址實際上也是一種形式的資料。
- 數值資料: 計算機中普遍使用的三種類型的數值資料。
- 定點整數或定點小數、浮點數、壓縮十進制數
- 字符資料: 文本資料或字串，目前廣泛使用 ASCII 碼。
- 邏輯資料: 一個單元中有若干二進制 bit 項組成，每個 bit 的值可以是 1 或 0。當資料以這種方式看待時，稱為邏輯性資料。
4.4 指令和資料的尋址方式 （重點！）#
- 在儲存器中，操作數或指令字寫入或讀出的方式，有地址指定方式、相聯儲存方式和堆疊存取方式。幾乎所有的計算機，在記憶體中都採用地址指定方式。
- 尋址方式：形成操作數或指令地址的方式
- 指令尋址方式：用於形成指令在記憶體中的地址
- 資料尋址方式：用於形成操作數在記憶體中的地址
4.4.1 指令尋址方式#
- 順序尋址方式
- 跳躍方式
4.4.2 操作數尋址方式#
根據指令中給出的地址碼字段尋找真實操作數的方式，即形成操作數的有效地址的方法，稱為操作數的尋址方式。例如，一種單地址指令的結構如下：
| 操作碼 OP | 變址 X 間址 I | 形式地址 A |
|---|---|---|
| 尋址方式特徵位 | 偏移量 |
尋址過程就是把操作數的形式地址，變換為操作數的有效地址的過程。
1、隱含尋址#
- 特點：在指令中不明顯地給出操作數的地址，而是隱含著操作數的地址
- 單地址的指令格式，在指令地址字段中，沒有指明第二操作數的地址，而是規定累加器 AC 作為第二操作數地址，AC 就是一個隱含地址
2、立即尋址#
- 特點：立即尋址是一種特殊的尋址方式，指令的地址字段指出的不是操作數地址，而是操作數本身
- 資料就包含在指令中，只要取出指令，就取出了可以立即使用的操作數，因此，這樣的操作數被稱為立即數。
- 指令中包含的操作數立即可用，節省了訪問記憶體的時間
- 指令格式：操作碼 OP 操作數 A
- 例： 指令 mov ax, 100
3、直接尋址#
- 特點：指令中地址碼字段給出的地址 A 就是操作數的有效地址 EA(Effective Address)，又稱為直接地址，即 EA＝A。
4、間接尋址#
- 特點：指令地址字段中的形式地址 A 不是操作數的真正地址，而是操作數地址的指示器，即：A 的內容才是操作數的有效地址操作數的有效地址：EA＝(A)【就套娃呗（】
5、寄存器尋址#
- 特點：操作數不在記憶體中，而是放在通用寄存器中
- 指令中給出的操作數地址不是記憶體的地址單元編號，而是通用寄存器的編號，指令的操作數存放在相應的寄存器中，即 EA=R~i~
優點
- 由於寄存器在 CPU 的內部，指令在執行時從寄存器中取操作數比訪問主存要快得多；
- 由於寄存器的數量較少，因此寄存器編號所佔位數也較少，從而可以有效減少指令的地址碼字段的長度。
6、寄存器間接尋址#
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特點：指令中的寄存器內容不是操作數，而是操作數的地址，真正的操作數在記憶體中。即將操作數放在主儲存器中，而操作數的地址放在某一通用寄存器中，然後在指令的地址碼部分給出該通用寄存器的編號，這時有 EA=(Ri)【套娃再套娃呗（】
-
優點：這種尋址方式的指令較短，並且在取指後只需一次訪存便可得到操作數，因此指令執行速度較前述的間接尋址方式要快，也是目前在計算機中使用較為廣泛的一種尋址方式。
7、偏移尋址#
- 直接尋址和寄存器間接尋址方式的結合
- 有效地址：EA＝A+(R)，A 是形式地址
- 要求指令中有兩個地址字段，至少其中一個是顯示的。
- 形式地址 A 直接被使用
- 常用的三種偏移尋址是：
- 相對尋址、基址尋址、變址尋址
- 相對尋址：由程式計數器 PC 提供基準地址，而指令的地址碼部分給出相對的位移量 D，兩者相加後作為操作數的有效地址，即：EA＝(PC)＋D。程式計數器的內容就是當前指令的地址。
- 基址尋址：基址寄存器的位數可以設置得很長，從而可以在較大的儲存空間中尋址。
- 變址尋址：變址尋址就是將指令的地址碼部分給出的基準地址 A 與 CPU 內某特定的變址寄存器 Rx 中的內容相加，以形成操作數的有效地址
8、段尋址方式#
- 微型機中採用了段尋址方式，其實質還是基址尋址
- 將 1MB 主儲存器空間按照最大長度 64KB 劃分成若干段，在尋址一個具體的記憶體單元時，由一個基地址寄存器 (段寄存器) 再加上指令中提供的 16 位偏移量來形成實際的 20 位物理地址
9、堆疊尋址堆疊#
- 能存取資料的暫時儲存單元
- 兩種形式：寄存器堆疊和儲存器堆疊
- 儲存原則：先進後出
- 資料的存取都通過堆疊頂，需要一個隱式或顯式的堆疊指示器 (堆疊頂指針)
- 堆疊指令：PUSH、POP
[例 4] 一種二地址 RS 型指令的結構如下：
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 為間接尋址標誌位，X 為尋址模式字段，D 為偏移量字段。通過 I，X，D 的組合，可構成如下尋址方式：
請寫出 6 種尋址方式的名稱。