第四章-指令系统

4.1 指令格式

1.指令概念

• 指令是指计算机执行某种操作的命令
• 指令的基本格式 = 操作码字段 + 地址码字段
  • 操作码指出指令应该执行什么性质的操作以及具有何种功能
  • 地址码给出被操作的信息（指令或数据）的地址
  • 指令的长度是指一条指令所包含的二进制代码位数
    • 指令字长取决于操作码的长度，操作数地址码的长度和操作数地址的个数
    • 所有指令长度都是相等的->定长指令字结构
    • 各指令长度随指令功能而异->变长指令字结构

2.指令格式

• 零地址指令

  OP

• 不需要操作数的指令：空操作、停机、关中断
• 在堆栈计算机中，运算类指令

• 一地址指令

OP	$A_1$

• 只有目的操作数：按$A_1$读取，OP后送回$A_1$
• 隐含目的地址（ACC）OP（$A_1$）->ACC

• 二地址指令

OP	$A_1$	$A_2$

• ($A_1$)OP($A_2$)->$A_1$

• 三地址指令

OP	$A_1$	$A_2$	$A_3$(结果)

• ($A_1$)OP($A_2$)->$A_3$ 四次访存，取指令一次，取两个操作数两次，存放结果一次

• 四地址指令

OP	$A_1$	$A_2$	$A_3$（结果）	$A_4$（下址）

• ($A_1$)OP($A_2$)->$A_3$，$A_4$下一条执行指令地址

3.定长操作码的指令格式

• n位操作码的指令系统->$2^n$条指令

4.拓展操作码的指令格式

• 不允许短码是长码的前缀
• 各指令的操作码不能重复

5.指令的操作类型

• 数据传送
• 算术和逻辑运算
• 移位操作
• 转移操作
• 输入输出操作

4.2 指令寻址

• 确定下一条要执行的指令的存放地址
• 由程序计数器PC指明

1.顺序寻址

(PC)+"1"->PC, 此处的"1"理解为1个指令字长, 每次取指令结束后, 一定会PC+"1"

系统采用变长指令字结构, 指令字长=存储字长=16bit=2B, 主存按照字节编址
读入一个字, 根据操作码判断这条指令的总字节数n, 修改PC的值, (PC)+n->PC
根据指令的类型, CPU可能还要进行多次访存, 每次读入一个字

2.跳跃寻址

执行转移类指令导致PC的值改变, 类似于无条件转移指令JMP等

4.3 数据寻址

形式地址, 简称为A; 真实地址, 简称为EA

假设指令字长=机器字长=存储字长, 操作数为3

1.直接寻址

指令字中的形式地址A就是操作数的真实地址EA, 即EA=A

一次指令的执行:

1. 取指令 访存1次
2. 执行指令 访存1次
   暂不考虑存结果, 共访存2次

优点: 简单, 指令执行阶段仅访问一次主存, 不需要专门计算操作数的地址

2.间接寻址

指令的地址字段给出的形式地址不是操作数真正的地址, 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. 根据间接寻址的次数可以分为一次间接寻址和两次间接寻址

优点:

• 可扩大寻址范围(有效寻址EA的位数大于形式地址A的位数)
• 便于编制程序(用间接寻址可以方便地完成子程序地返回)

3.寄存器寻址

在指令字中直接给出操作数所在地寄存器编号, 即EA=Ri, 其操作数在由Ri所指地寄存器内.

一次指令的执行:

1. 取指令 访存1次
2. 执行指令 访存0次
   暂不考虑存结果, 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, 支持向量/矩阵运算

缺点: 寄存器价格昂贵, 计算机中寄存器的个数有限

4.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)

一次指令的执行:

1. 取指令 访存1次
2. 执行指令 访存1次
   暂不考虑存结果, 共访存2次

特点: 与一般间接寻址相比速度更快, 但指令的执行阶段需要访问主存(因为操作数在主存中)

5.隐含寻址

隐含寻址: 不是明显地给出操作数的地址, 而是在指令中隐含着操作数的地址

优点: 有利于缩短指令字长

缺点: 需要增加存储操作数或者隐含地址的硬件

6.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. #表示立即寻址特征

一条指令的执行:

1. 取指令 访存1次
2. 执行指令 访存0次
   暂不考虑存结果, 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

7.偏移寻址

1.基址寻址

将CPU中基址寄存器(BR)中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=(BR)+A

有两种方法:

1. 采用专用寄存器BR作为基址寄存器
2. 采用通用寄存器作为基址寄存器, 在指令中需要指明, 要将哪个通用寄存器作为基址寄存器使用, 一般用R0表示

优点: 便于程序"浮动", 方便实现多道程序并发运行

拓展: 程序运行前, CPU将BR的值修改为该程序的起始地址(存在操作系统PCB中)

注:

• 基址寄存器是面向操作系统的, 其内容是由操作系统或者管理程序确定. 在程序执行过程中, 基址寄存器的内容不变(作为基地址), 形式地址可变(作为偏移量)
• 当采用通用寄存器作为基址寄存器时, 可由用户决定哪个寄存器作为基址寄存器, 但其内容仍由操作系统决定

2.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的内容之和, 即EA=(IX)+A, 其中IX可为变址寄存器(专用), 也可用通用寄存器作为变址寄存器

注: 变址寄存器是面向用户的, 在程序执行的过程中, 变址寄存器的内容可由用户改变(IX作为偏移量), 形式地址A不变(作为基地址)

变址寻址作用: 在数组处理的过程中, 可设定A为数组的首地址, 不断改变变址寄存器IX的内容, 便可以很容易形成数组中任一数据的地址, 特别适合编制循环程序

基址&变址复合寻址

• 基址寻址: EA=(BR)+A
• 变址寻址: EA=(IX)+A
• 先基址后变址寻址: EA=(IX)+(BX)+A

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PC所指地址的位移量, 可正可负, 补码表示

注: 王道书上的小错误 -- "A是相当于当前指令地址的位移量"这句话是错误的, 因为取出当前指令后, PC+"1"指向的是下一条指令

优点: 操作数的地址不是固定的, 它随着PC的值的变化而变化, 并且与指令地址之间总是相差一个固定的值, 因此便于程序浮动(一段代码在程序内部的浮动), 相对寻址广泛用于转移指令

8.堆栈寻址

操作数放在堆栈中, 隐含使用堆栈指针(SP)作为操作数地址

堆栈是存储器(或专用寄存器组)中一块特定的按"后进先出(LIFO)"原则管理的存储区, 该存储区中被读/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)

4.4 程序的机器级代码表示

非常重要但未看

4.4 CISC&RISC

1.CISC和RISC

80-20规律: 典型程序中80%的语句仅仅使用处理机中20%的指令

CISC

CISC: Complex Instruction Set Computer

设计思路: 一条指令完成一个复杂的基本功能

代表: X86架构, 主要用于笔记本, 台式机等

比如设计一套能实现整数, 矩阵加/减/乘运算的指令集
CISC的设计思路: 除了提供整数的加减乘指令除之外, 还提供矩阵的加法指令, 矩阵的减法指令, 矩阵的乘法指令.
一条指令可以由一个专门的电路完成
有的复杂指令用纯硬件实现很困难, 采用"存储程序"的设计思想, 由一个比较通用的电路配合存储部件完成一条指令

RISC

特点

1. 选取使用频率最高的一些简单指令
2. 指令长度固定，指令格式种类少，寻址方式种类少
3. 只有Load/Store （存数、取数）指令访存，其余操作在寄存器间进行
4. CPU中通用寄存器相当多
5. 一定采用指令流水线技术，大部分在一个时钟周期内完成
6. 以硬布线为主，不用或少用微程序控制
7. 特别重视编译优化工作，减少程序执行时间

设计思路: 一条指令完成一个基本"动作"; 多条指令组合完成一个复杂的基本功能

代表: ARM架构, 主要用于手机, 平板等

比如设计一套能实现整数, 矩阵加/减/乘运算的指令集
RISC的思路: 只提供整数的加减乘指令
一条指令一个电路, 电路设计相对简单, 功耗更低

区别

	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
各种指令的使用频度	相差很大	都比较常用
通用寄存器数量	较少	多
目标代码	难以用优化编译生成高效的目标代码程序	采用优化的编译程序, 生成代码较为高效
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