指令系统

复习重点

什么是指令系统，指令的格式及其各部分的含义
操作数的寻址方式，每种寻址方式的有效地址的计算方法
利用扩展操作码法进行变长操作码指令格式的设计
什么是 CISC、RISC，各自的主要特点

概述

指令: 知识计算机执行某种操作的命令
指令系统 (指令集): 一台计算机中所有机器指令的集合

指令格式（重点）

一条指令由 操作码 和 操作数地址码 两部分组成
指令格式如下
操作码 OP 地址码 A
一条指令一般应包含如下信息
- 操作码: 规定指令的操作及功能
- 地址码: 操作对象，可以是具体的数也可以是存放具体数的地址
- 操作结果存放地址: 结果存放的位置
- 下一条要执行指令的地址

操作码

定长操作码
变长操作码

地址码

指出操作数的存贮位置。

四地址指令: $A_{1} OP A_{2} \to A_{3}, 下一条指令地址$
$O P$ $A_{1}$ $A_{2}$ $A_{3}$ $A_{4}$
三地址指令: $A_{1} OP A_{2} \to A_{3}, (P C) + 1 \to P C (隐含)$
$O P$ $A_{1}$ $A_{2}$ $A_{3}$
二地址指令: $A_{1} OP A_{2} \to A_{1}, (P C) + 1 \to P C (隐含)$
$O P$ $A_{1}$ $A_{2}$
一地址指令: $A_{1} OP A C C \to A C C (累加器), (P C) + 1 \to P C (隐含)$
$O P$ $A_{1}$
零地址指令: 无任何操作数，如 HALT, NOP 等，所需操作数由默认地址中，用在堆栈计算机中
$O P$

指令字长

考虑指令存取方便: 单字长指令、半字长指令、双字长指令

指令格式设计

变长操作码指令格式设计

寻址方式（BIG 重点）

指令的寻址方式

顺序寻址: PC
转移寻址: 下调指令的地址码由本条指令给出

操作数的寻址方式

约定

EA 操作数的有效地址
(X) X 中的内容，X 位寄存器时，表示寄存器中的内容；X 为存储器时，表示存储器中的内容
R 寄存器
M 存储器

立即寻址 操作数由指令直接给出
直接寻址 $E A = A, S = (E A) = (A)$
间接寻址 简称间址 S = ((A))
操作码 @ 一级间址
寄存器寻址 寄存器直接寻址，寄存器间接寻址（同上），符号也一样
基址寻址方式 $E A = (R_{b}) + X$
操作码 $R_{b}$ 偏移量 $X$
- 逻辑地址 $\to$ 物理地址，面向系统
变址寻址方式 $E A = (R_{x}) + 形式地址 A$
操作码 $R_{x}$ 形式地址 $A$
- 数组、字符串元素读写，面向用户
相对寻址方式 $E A = P C + 形式地址$
- 相对当前指令的地址
堆栈寻址方式 SP 寄存器
- 寄存器堆栈
- 存储器堆栈
- 满递增空递增
  满递减空递减

精简指令集计算机

数据通路

datapath

CISC 与 RISC 对比

类别	CISC	RISC
指令系统	指令数量很多	较少
执行时间	有些指令执行时间很长，如整块的存储器内容复制，或将多个寄存器内容复制到存储器	没有较长执行时间的指令
编码长度	编码长度可变，1-15 字节	编码长度固定，通常为 4 个字节
寻址方式	寻址方式多样	简单寻址
操作	可以对存储器和寄存器进行算术和逻辑操作	只能对寄存器进行算术和逻辑操作，Load/Store 体系结构
编译	难以用优化编译器生成高效的目标代码程序	采用优化编译技术，生成高效的目标代码程序