计算机组成原理 指令

指令

指令格式和分类

指令格式

相关概念

Ad(Address) 形式地址
AC(Accumulation register)累加寄存器
ALU(Arithmetic logic unit)算术逻辑单元
MQ(Multiplier-Quotient Register)乘商寄存器
DR(Data Register) 数据寄存器
AR(Address Register) 地址寄存器(MAR)
IR(Instruction Register) 指令寄存器
BR(Buffer Register) 缓冲寄存器(MBR)
ID(Instruction Decoder) 指令译码器
PC(ProgramCounter) 程序计数器
OP（Operate Code）: 操作码 指令中用于指出操作性质的字段。

了解指令

指令系统
每种计算机系统均有一组指令提供给用户使用
指令
般由操作码和地址码两部分构成，其中操作码在前，地址码在后，地址码的个数可变

|操作码OP| 地址码|

操作码是指明指令操作性质的命令码,它提供指令的操作控制信息，不可缺少
操作数地址码用来描述该指令的操作对象及其所在位置
|OP|4|A2|A3(结果)|A4(下地址)|
指令含义:$ (A_1) OP (A_2) ->A_3，A_4=$下一条将要执行指令的地址

指令执行

00000000	000001	000010	000011	000100
OP	$A_1$	$A_2$	$A_3$(结果)	$A_4$(下地址)

一条指令的执行 (假设每个地址都是主存地址)
取指令访存1次 (假设指令字长=存储字长)
取两个操作数访存2次
存回结果访存1次
共访存4次

取指
PC（程序计数器）=0 ? 指向第一条指令的位置，PC存放了当前欲执行指令的位置。
MAR（地址寄存器）=0 ? PC把地址０交给了地址寄存器MAR
MDR（数据寄存器）=000001 0000001000 ? MAR根据地址在0的存储单元中取出指令，交给了数据寄存器MDR
IR（指令寄存器）=000001 0000001000 ? MDR将指令交给了指令寄存器IR
分析
OP(IR)=000001 ? 获取指令操作码
PC=PC+1 ? 地址为0的存储单元中的指令执行结束，程序计数器PC自动+1
执行
MAR=Ad(IR)=0000001000 ? 获取数据地址
MDR=X ? 从MAR获取真实数据的值
ACC=MDR=x ? MDR将数据放入累加器ACC中

取指
PC=1
MAR=1
MDR=000100 0000001001
IR=000100 0000001001
分析
OP(IR)=000100
PC=PC+1
执行
MAR=Ad(IR)=0000001001
MDR=a
MO=MDR=a 从MDR读取数据放入乘商寄存器MO
X=ACC=x 把ACC中的值放入通用寄存器X
ACC=ax

按地址码分类

四地址指令
|OP|$A_1$|$A_2$|$A_3$(结果)|$A_4$(下地址)|
指令含义: $(A_1)OP(A_2)?>A_3，A_4=$,下一条将要执行指令的地址，完成一条指令访存4次
三地址指令
|OP|$A_1$|$A_2$|$A_3$(结果)|
指令含义 : $(A_1)OP(A_2)?>A_3$完成一条指令访存4次。区别在于地址码位数不同
二地址指令
|OP|$A_1$|$A_2$|
指令含义: $(A_1)OP(A_2)?>A_1$完成一条指令访存4次
一地址指令
指令含义 : $(A_1)OP(A_2)?>A_1$,完成一条指令访存3次。
$(ACC)OP(A_1)?>ACC$，约定目的地址为ACC，完成一条指令访存2次
零地址指令

1. 不需要操作数的指令，如空操作指令、停机指令、关中断指令等
2. 零地址的运算类指令仅用在堆栈计算机中。
   通常参与运算的两个操作数隐含地从栈顶和次栈顶弹出，送到运算器进行运算，运算结果再隐含地压入堆栈

按操作码分类

定长指令字结构
指令字长固定的指令

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变长指令字结构
指令字长不固定的指令

列题
假设指令字长为16位:前4位为基本操作码字段OP
4位基本操作码若全部用于三地址指令，则有16条
但至少须将1111留作扩展操作码之用，即三地址指令为15条
111111留作扩展操作码之用，二地址指令为15条
111111111111留作扩展操作码之用，一地址指令为15条
零地址指令为16条

列题
设指令字长固定为16位，试设计一套指令系统满足:
a有15条三地址指令
b有12条二地址指令
c有62条一地址指令
d有32条零地址指令
设地址长度为n，上一层留出m种状态，下一层可扩展出$m?2^n$种状态

有15条三地址指令	0000-1110	$A_1$	$A_2$	$A_3$
有12条二地址指令	1111	0000-1011	$A_2$	$A_3$
有62条一地址指令	1111	1100-1111	0000-1101	$A_3
有32条零地址指令	1111	1100-1111	1110-1111	0000-1111

按长度分类

单字长指令: 指令长度=机器字长
半字长指令、双字长指令

按操作类型分类

数据传送类
数据传送目的

• 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
  运算类
  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)
程序控制类
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)
    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)

寻址方式

指令寻址

指令寻址
找到下一条欲执行指令的指令地址
顺序寻址: (PC)+1
PC ? 当前地址 —> 地址+1

	000010	000011	000100
OP	$A_1$	$A_2$	$A_3$(结果)

跳跃寻址: (PC)+A

00000000	000010	000011	000100
OP	$A_1$	$A_2$	$A_3$(结果)

数据寻址

数据寻址
找到本条指令的操作数地址
寻址特征
表明某种数据寻址方式

	寻址方式	EA
操作码(OP)	寻址特征	形式地址(A)

	寻址方式	EA1	寻址方式	EA2
操作码(OP)	寻址特征	形式地址(A1)	寻址特征	形式地址(A2)

隐含寻址
不是显式的给出操作数的地址，而是在指令中隐含着操作数的地址

	寻址方式	EA1
OP		A

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

立即数寻址
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

	寻址方式	EA1
OP	#	A

CPU执行:

• 取指令访存1次
• 执行指令访存0次
• 不考虑存放结果
• 共访存1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的位数限制了立即数的范围

直接寻址
形式地址A就是操作数的真实地址，即EA1=A

	寻址方式	EA1
OP	看情况	A

CPU执行:

• 取指令访存1次
• 执行指令访存1次
• 不考虑存放结果
• 共访存2次

优点:简单，指令执行阶段仅仅访问一次主存，不需要设计专门计算操作数的地址
缺点: A的位数限制了寻址的范围，而且操作数的地址不容易更改

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EA1=(A)

	寻址方式	EA1
OP	看情况	A

CPU执行:

• 取指令访存1次
• 执行指令访存2次
• 不考虑存放结果
• 共访存3次

优点: 可以扩大寻址范围，便于编制程序
缺点:指令在执行阶段要多次访存，多次访存的寻址需根据存储字的做高位确定

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。

	寻址方式	EA1
OP	看情况	A

CPU执行:

• 取指令访存1次
• 执行指令访存o次
• 不考虑存放结果
• 共访存1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
缺点: 寄存器价格昂贵，计算机中寄存器个数有限

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)。

	寻址方式	EA1
OP	看情况	A

CPU执行:

• 取指令访存1次
• 执行指令访存1次
• 不考虑存放结果
• 共访存2次

优点: 比一般的间接寻址快很多
缺点: 寄存器价格昂贵，而且在执行阶段需要访问主存

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为变址寄存器(专用)，也可用通用寄存器作为变址寄存器

	寻址方式	EA1
OP	看情况	A

CPU执行:

• 取指令访存1次
• 执行指令访存1次
• 不考虑存放结果
• 共访存2次

优点:可以扩大寻址范围;在数组处理方面，可以设A为数组的首地址，不断改变IX,所以十分适合编制循环程序

缺点:寄存器价格昂贵，逻辑比较复杂

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是相对于当前指令地址的位移量，可正可负，补码表示。

	寻址方式	EA1
OP	看情况	A

CPU执行:

• 取指令访存1次
• 执行指令访存1次
• 不考虑存放结果
• 共访存2次

优点: 操作数的地址不是固定的，随着PC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，广泛用于转移指令
缺点: 寄存器价格昂贵，逻辑比较复杂

堆栈寻址
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)

	寻址方式	EA1
OP	看情况	A

完成一次加法: 记栈顶单元Msp
(Msp)–>ACC ? 数据移入累加寄存器ACC
(SP)+1–>SP ? 栈指针加一
(Msp)–>X ? 数据移入通用寄存器
(SP)+1–>SP ? 栈指针加一
(ACC)+(X)–>T
(SP)-1=>SP(Y)–>Msp ? 回到栈顶

CPU执行:

• 取指令访存1次
• 软堆栈执行指令访存
• 不考虑存放结果

偏移寻址
变址寻址
基址寻址
相对寻址

总结

寻址方式	有效地址	访存次数(不考虑存放结果)
隐含寻址	程序指定	2
立即数寻址	A是操作数	1
直接寻址	EA=A	2
一次间接寻址	EA=(A)	3
寄存器寻址	EA=Ri	1
寄存器间接一次寻址	EA=(Ri)	2
相对寻址(爱情转移)	EA=(PC)+A	2
基址寻址(K歌之王)	EA=(BR)+A	2
变址寻址(十年)	EA=(IX)+A	2
堆栈寻址	根据情况决定	硬堆栈不访存/软堆栈访存

指令集

RISC和CISC的特点

CISC	RISC
指令就是程序	指令是一个动作
X86架构	ARM架构
指令使用不均匀	只保留基本指令
实例: 设计一副扑克牌
52张扑克牌就要有52个电路设计，但是这种设计是比较通用的。	13张不同的数字(A~K)4和花色设计17种电路，然后多条指令组合

RISC和CISC的对比

类别	CISC	RISC
指令系统	复杂，庞大	简单，精简
指令数目	一般大于200条	一般小于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	采用优化的编译程序，生的目标代码程序成的代码较为高效
目标代码	难以用优化编译生成高效
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