Computer Composition Review Ch4 指令系统

4.1 指令系统的发展与性能要求

4.1.1 指令系统的发展

• 计算机程序由一系列机器指令组成
  • 每条指令可完成一个独立的算术/逻辑运算操作
• 指令系统（指令集）
  • 一台计算机中所有机器指令的集合
• 复杂指令系统计算机 CISC
• 精简指令系统计算机 RISC

4.1.2 指令系统的性能要求

• 完备性
  • 指令系统丰富
  • 功能齐全
  • 使用方便
• 有效性
  • 指令系统编写的程序可以高效率地运行
    • 程序存储空间小
    • 执行速度快
  • 功能更强、更完善的指令系统，一定有更好的有效性
• 规整性
  • 指令系统
    • 对称性
      • 所有寄存器和存储器单元都可同等对待
      • 所有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
  • 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
  • 相同的基本结构和共同的基本指令系统
    • 指令系统兼容，软件也可通用

4.1.3 低级语言与硬件结构的关系

• 
• 指令系统体系结构
  • 机器语言程序员所看到的计算机属性
  • 组成
    • 寄存器组织
    • 存储器的组合和寻址方式
    • I/O 系统结构
    • 数据类型&表示
    • 指令系统
    • 中断机制
    • 机器工作状态定义&切换
    • 保护机制

4.2 指令格式

4.2.1 操作码

• 操作码
  • 表示指令应进行怎样的操作，如加减乘除、存取数等
  • $n$ 位操作码最多能表示 $2^n$ 条指令

4.2.2 地址码

• 
  • 零地址指令
    • 只需要操作码，不需要地址，如停机操做
  • 一地址指令
    • 指定一个操作数，另一个操作数地址是隐含的，如累加寄存器 AC 中的数据，$AC \leftarrow (AC)OP(A)$
  • 二地址指令
    • 两个地址
      • 参与操作的两个数的地址
      • 存放操作结果的地址
    • 依据操作数物理位置分类
      • 存储器存储器 SS
        • 从内存中取数，操作结果也存在内存中
        • 需要多次访问内存
      • 寄存器寄存器 RR
        • 从寄存器中取数，操作结果存在另一寄存器中
        • 不需要访问内存，执行速度快
      • 寄存器-存储器 RS
        • 既要访问内存，也要fa
  • 三地址指令
    • 被操作数地址
    • 操作数地址
    • 存放操作结果的地址

4.2.3 指令字长度

• 指令字长度
  • 一个指令字中包含的二进制代码位数
• 机器字长
  • 计算机能直接处理的二进制数据位数
  • 决定计算机运算精度
  • 通常与主存单元位数一致
• 分类
  • 单字长指令
    • 指令字长度=机器字长
  • 半字长指令
    • 指令字长度=半个机器字长
  • 双字长指令
    • 指令字长度=两个机器字长
• 指令系统
  • 等长指令字结构
    • 各指令字长相等，都是单字长或半字长指令
    • 结构简单
  • 变长指令字结构
    • 各指令字长随功能而不同
    • 充分利用指令长度，但控制较为复杂
• 扩展操作码技术
  • 确保指令字长度尽可能统一，向地址码字段扩展操作码的长度
  • 
    • 通过全 1 作为扩展标识
      • eg：OP 域扩展到 $A_1$ 域
        • 保留 1111 作为标识
        • 当 OP 域为 1111 时，说明已扩展到 $A_1$ 域
        • 则 1111 XXXX 为操作码区域

4.2.4 指令助记符

• 方便书写和阅读程序，使用 3-4 个英文缩写来代表二进制操作码的含义
• 

4.2.5 指令格式举例

• 八位微型计算机指令格式
  • 
• MIPS R4000 指令格式
  • 
  • 
• ARM 指令格式
  • 
• Pentium 指令格式
  • 

4.3 操作数类型

4.3.1 一般的数据类型

• 地址数据
  • 无符号整数
• 数值数据
  • 定点整数/定点小数
  • 浮点数
  • 压缩十进制数，1 字节用 2 位 BCD 码表示
• 字符数据
  • 7 位 ASCII 表示字符
  • 最高位第 8 位用于奇偶校验
• 逻辑数据
  • 一个单元由若干个二进制位项组成

4.4 指令和数据的寻址方式

4.4.1 指令的寻址方式、

• 顺序寻址方式
  • 
  • 按程序计数器中的顺序号（内存中的顺序）逐条进行取指并执行
• 跳跃寻址方式
  • 
  • 指令地址由当前指令给出，而不是由程序计数器给出
  • 程序计数器跟踪新的指令地址
  • 程序转移/循环时，能缩短程序长度或作为公共程序进行引用

4.4.2 操作数基本寻址方式

• 操作数来源
  • 地址码部分直接给出操作数
    • 简便快捷，但操作数固定不变
  • 操作数存在 CPU 中的通用寄存器中
    • 快捷获取，但数量有限
  • 操作数存在内存中
    • 有效地址
      • 指令直接给出操作数的实际访存地址
    • 形式地址
      • 地址字段给出形式地址，在指令执行时，变换成有效地址
• 操作数寻址方式
  • 形成操作数的有效地址的方法
  • 
  • 基本寻址方式

    • 

    • 隐含寻址

      • 

    • 立即寻址

      • 在地址字段直接指出操作数，而不是地址
      • 节省访问内存的时间
      • 

    • 直接寻址

      • 在地址字段直接指出内存地址（也称为直接地址）
      • 

    • 间接寻址

      • 地址字段并不是操作数的真实地址，而是真实地址的指示器
      • 间接寻址和直接寻址结合起来，通过特征位判断直接寻址还是间接寻址
      • 需要两次访存，影响执行速度
      • 

    • 寄存器寻址

      • 地址字段给出通用寄存器编号，寄存器中存放着操作数
      • 

    • 寄存器间接寻址

      • 地址字段给出通用寄存器编号，寄存器中存放着操作数地址
      • 

    • 偏倚寻址

      • 直接寻址+寄存器间接寻址
      • 隐含的地址和地址字段（或隐含引用，指某个专用寄存器）获得有效地址
      • 
      • 常用偏倚寻址
        • 相对寻址
          • 隐含引用的专用寄存器是程序计数器 $PC$，$EA=A+(PC)$
        • 基址寻址
          • 被引用的专用寄存器存有存储器地址，地址字段为相对于该存储器地址的偏移量
        • 变址寻址
          • 地址字段引用主存地址，被引用的专用寄存器存放正偏移量
          • 专用寄存器中的偏移量可变，例如访问数组，变址寄存器从 0 逐次 +1

    • 段寻址

      • 

    • 堆栈寻址

      • 寄存器堆栈/存储器堆栈
      • 数据存储都与栈顶地址进行
      • 需要一个隐式/显式的堆栈指示器
      • 

4.4.3 寻址方式举例

• Pentium 寻址方式
  • 
• Power PC 寻址方式
  • 

4.5 典型指令

4.5.1 指令分类

• 数据传送指令
  • 存数指令、取数指令、传送指令、成组传送指令等
  • 用于实现主存和寄存器间或寄存器之间的数据传送
• 算术运算指令
  • 二进制定点加减乘除，浮点数的加减乘除取反，求补等
  • 用于定点/浮点数的算术运算
• 逻辑运算指令
  • 逻辑加，逻辑乘、按位加、逻辑位移等
  • 用于无符号数的位操作、代码转换、判断及运算
• 程序控制指令
  • 一般采用直接寻址和相对寻址
  • 类型
    • 条件转移指令
    • 无条件转移指令
    • 转子程序指令
    • 返回主程序指令
    • 中断返回指令
• 输入输出指令
• 字符串处理指令
  • 字符串传送、字符串转换、字符串比较等
  • 非数值处理指令
• 特权指令
  • 主要用于系统资源的分配和管理
  • 改变系统工作方式、检测用户的访问权限等
• 其他指令
  • 状态寄存器置位、复位指令、测试指令等用于系统控制的特殊指令

4.5.2 基本指令系统的操作

4.5.3 RISC 指令系统

• 特点
  • 使用频率高的简单指令，指令条数小
  • 指令长度固定，格式种类少，寻址方式少
  • 只有取数/存数指令访问存储器，其他指令操作在寄存器中进行