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7.1 机器指令

人们习惯把每一条机器语言的语句称为

机器指令

，将全部机器指令的集合称为机器的

指令系统

。指令系统反映了机器的功能，与机器的硬件有关。

1. 指令的一般格式

指令由操作码和地址码两部分组成

• 操作码：反应机器做什么操作。（操作码的长度可以是固定的，也可以是变化的）
• 地址码：指出指令操作数的地址

2. 扩展操作码技术

操作码的长度随地址数的减少而增加

3. 地址码

四地址:

OP为操作码; A

₁

为第一操作数地址; A

₂

为第二操作数地址; A

₃

为结果地址; A

₄

为下一条指令的地址

三地址:



用PC代替A

₄

，将后续指令的地址隐含在程序计数器PC中

OP为操作码; A

₁

为第一操作数地址; A

₂

为第二操作数地址; A

₃

为结果地址

二地址:



用 A

₁

或 A

₂

代替 A

₃

，即在运算结束后将运算结果放入操作数地址中

OP为操作码; A

₁

为源操作数地址 (和运算结果地址); A

₂

为源操作数地址 (和运算结果地址)

一地址:



用 ACC 代替 A

₁

或 A

₂

，即ACC既存放参与运算的操作数，又存放运算的中间结果

OP为操作码; A

₁

为源操作数地址

零地址:



无地址码的指令地址，例如空操作、停机这类指令只有操作码，没有地址码

当用一些硬件资源代替指令字中的地址码字段后

• 可扩大指令操作数的寻址范围
• 可缩短指令字长
• 可减少访存次数

4. 指令字长

指令字长取决于：

• 操作码的长度
• 操作数地址的长度
• 操作数地址的个数

不同的机器指令字长不同，指令字长可以是固定的 (指令字长 = 存储字长)，也可以是可变的 (按字节的倍数变化)

7.2 操作数类型和操作类型

1. 操作数类型

• 地址：无符号整数
• 数字：定点数、浮点数、十进制数
• 字符：ASCII
• 逻辑数据：逻辑运算

2. 数据在存储器中的存放方式


大端模式、小端模式：





边界对准、边界未对准：


3. 操作类型

1. 数据传送
2. 算术逻辑操作: 加减乘除与或非等
3. 移位: 算术移位、逻辑移位、循环移位三种
4. 转移: 无条件转移、条件转移、调用与返回、陷阱与陷阱指令
5. 输入输出
6. 其他

7.2 寻址方式

寻址方式是指确定本条指令的

数据地址

以及下一条将要执行的

指令地址

的方法，它与硬件结构有关，而且直接影响指令格式和指令功能。

寻址方式分为指令寻址和数据寻址两大类。

指令寻址

指令寻址比较简单，分为顺序寻址和跳跃寻址两种。

• 顺序寻址通过
  
  程序计数器PC
  
  加1自动形成下一条指令的地址
  
(PC) +1 --> PC

• 跳跃寻址通过
  
  转移指令
  
  实现

数据寻址

数据寻址的方式种类较多，因此在指令字中必须设一字段来指明属于哪种寻址方式。指令的地址码字段通常不代表操作数的真实地址，把它称为

形式地址

，记作

A

。操作数的真实地址称为

有效地址

，记作

EA

，它是由寻址方式和形式地址共同确定的。指令格式如下：


1. 立即寻址



特点：

形式地址A不是操作数的地址，而是操作数本身，又称为立即数。


优点：


速度快

（不访存，可立即获得操作数）


缺点：

A 的位数限制了立即数的范围


2. 直接寻址



特点：

形式地址A就是操作数的真实地址EA，即 EA = A


优点：

寻找操作数简单（执行阶段访问一次存储器）


缺点：

A 的位数决定了该指令操作数的寻址范围， 并且操作数的地址不易修改（必须修改A）


3. 隐含寻址



特点：

操作数的地址隐含在操作码或某个寄存器中


优点：

指令字中少了一个地址字段，可缩短指令字长


4. 间接寻址



特点：

形式地址不直接指出操作数的地址，而是指出操作数有效地址所在的存储地址。EA = (A) 有效地址由形式地址间接提供


优点：

扩大了操作数的寻址范围， 便于编制程序


5. 寄存器寻址

(广泛应用)


特点：

有效地址即为寄存器编号


优点：

1. 执行阶段不访存，只访问寄存器，执行

速度快

（

所有寻址方式中最快的一种

）

2. 因为计算机中寄存器个数有限，所以指令字较短，可缩短指令字长，节省了存储空间


6. 寄存器间接寻址



特点：

R

_i

中的内容不是操作数，而是操作数所在主存单元的地址号，即有效地址在寄存器中， 操作数在存储器中，执行阶段访存。EA = ( R

_i

)


优点：

便于编制循环程序


7. 基址寻址



特点：

1. 有效地址等于指令字中的形式地址与基址寄存器中的内容(基地址)相加。EA = ( BR ) + A。

2. 基址寄存器的内容由操作系统给定，且在程序的执行过程中不可变。


优点：

可扩大操作数的寻址范围， 有利于分段管理


8. 变址寻址



特点：

1. 有效地址等于指令字中的形式地址与变址寄存器中的内容相加。EA = ( IX ) +A

2. 变址寄存器的内容由用户给定，且在程序的执行过程中可变。


优点：

可扩大寻址范围，便于处理数组问题


9. 相对寻址



特点：

1. 有效地址等于指令字中的形式地址与程序计数器PC中的内容(即当前指令地址)相加。 EA = ( PC ) + A

2. 形式地址A相对于当前指令的位移量(可正可负，补码)

3. 转移地址不固定，可随PC值的变化而变，

广泛用于转移指令

。


缺点：

A 的位数决定操作数的寻址范围


10. 堆栈寻址



堆栈：

用作数据暂时存储的一组寄存器或存储单元称为堆栈。


堆栈的特点：


硬堆栈

: 多个寄存器;

软堆栈

: 指定的存储空间

栈顶地址由堆栈指针SP指出

7.4 指令格式

1. 指令格式设计

为了继承已有的软件，必须考虑新机器的指令系统与同一系列机器指令系统的

兼容性

，即高档机必须能兼容低档机的程序运行，称之为“

向上兼容

”。

设计指令格式需要考虑的因素：

1. 操作类型：包括指令数及操作的难易程度
2. 数据类型：确定哪些数据类型可以参与操作
3. 指令格式：包括指令字长、操作码位数、地址码位数、地址个数、寻址方式，以及指令字长和操作码位数是否可变等
4. 寻址方式：指令寻址、操作数寻址
5. 寄存器个数：寄存器的多少直接影响指令的执行时间

2. 指令格式举例

7.5 RISC 技术

RISC

即

精简指令系统计算机

，与其对应的是

CISC 复杂指令系统计算机

。

为了解决日益复杂的计算机的运算速度问题，人们研究CISC发现了

80-20 规律

，即

典型程序中 80% 的语句仅仅使用处理机中 20% 的指令

。

这就导致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。那么能否用 20% 的简单指令组合不常用的 80% 的指令功能呢？这便引发出RISC技术。

1. RISC 的主要特征

1. 选用使用频度较高的一些
   
   简单指令
   
   以及一些很有用但不复杂的指令，让复杂指令的功能由简单指令的组合来实现
2. 指令
   
   长度固定
   
   、
   
   指令格式种类少
   
   、
   
   寻址方式少
   
3. 只有
   
   取数/存数 (LOAD / STORE) 指令
   
   访存，其余指令的操作都在寄存器内完成
4. CPU 中有
   
   多个通用寄存器
   
5. 采用
   
   流水线技术
   
   ，大部分指令在一个时钟周期内完成
6. 控制器采用
   
   组合逻辑
   
   控制，不用微程序控制
7. 采用
   
   优化
   
   的
   
   编译
   
   程序

2. CISC 的主要特征

1. 系统指令复杂庞大，各种指令使用频度相差大
2. 指令长度不固定、指令格式种类多、寻址方式多
3. 访存指令不受限制
4. CPU 中设有专用寄存器
5. 大多数指令需要多个时钟周期执行完毕
6. 采用微程序控制器
7. 难以用优化编译生成高效的目的代码

3. RISC 和 CISC 的比较

1. RISC更能充分利用 VLSI 芯片的面积
2. 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, 采用组合逻辑, 便于实现指令流水)
3. RISC 便于设计, 可降低成本, 提高可靠性
4. RISC 有利于编译程序代码优化
5. RISC 不易实现指令系统兼容

（完）