目录

• 第四章 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
    • • 发展情况
    • 4.1.2 对指令系统性能的要求
  • 4.2 指令格式
  • • 4.2.1 操作码
    • 4.2.2 地址码（重点）
    • • 零地址指令
      • 一地址指令
      • 二地址指令
      • 三地址指令
    • 4.2.3 指令字长度 （重点）
    • • 概念
      • 多字长指令的优缺点
  • 4.3 操作数类型
  • • 4.3.1 一般的数据类型
  • 4.4 指令和数据的寻址方式 （重点！）
  • • 4.4.1 指令寻址方式
    • 4.4.2操作数寻址方式
    • • 1、隐含寻址
      • 2、立即寻址
      • 3、直接寻址
      • 4、间接寻址
      • 5、寄存器寻址
      • 6、寄存器间接寻址
      • 7、偏移寻址
      • 8、段寻址方式
      • 9、堆栈寻址堆栈

第四章 指令系统

4.1 指令系统的发展与性能要求

指令系统基本概念

• 指令：就是要计算机执行某种操作的命令。从计算机组成的层次结构来说，计算机的指令有微指令、机器指令和宏指令之分。
  • 微指令是微程序级的命令，它属于硬件；
  • 宏指令：由若干条机器指令组成的软件指令，它属于软件；
  • 机器指令：介于微指令与宏指令之间，通常简称为指令
• 每一条指令可完成一个独立的算术运算或逻辑运算操作。本章所讨论的指令，是机器指令。
• 一台计算机中所有机器指令的集合，称为这台计算机的指令系统。
  • 指令系统是表征一台计算机性能的重要因素，它的格式与功能不仅直接影响到机器的硬件结构，而且也直接影响到系统软件，影响到机器的适用范围

4.1.1 指令系统的发展

发展情况

• 50年代，指令系统只有定点加减、逻辑运算、数据传送、转移等十几至几十条指令

• 60年代后期，增加了乘除、浮点、十进制、字符串处理等指令，指令数目多达一二百条，寻址方式也趋多样化，开始出现系列计算机

• 70年代末期，大多数计算机的指令系统多达几百条，称这些计算机为复杂指令系统计算机(CISC，Complex Instruction Set Computer)。

  • 但是如此庞大的指令系统不但使计算机的研制周期变长，难以保证正确性，不易调试维护，而且由于采用了大量使用频率很低的复杂指令而造成硬件资源浪费，产生指令集所谓20：80规律
  • 即最常使用的简单指令仅占指令总数的20%，但在程序中出现的频率却占80%。

• 于是人们又提出了便于VLSI技术实现的精简指令系统计算机(RISC，Reduded Instruction Set Computer)

4.1.2 对指令系统性能的要求

• 完备性：完备性是指用汇编语言编写各种程序时，指令系统直接提供的指令足够使用，而不必用软件来实现。 完备性要求指令系统丰富、功能齐全、使用方便。一台计算机中最基本、必不可少的指令是不多的。许多指令可用最基本的指令编程来实现。
• 有效性：有效性是指利用该指令系统所编写的程序能够高效率地运行。 高效率主要表现在程序占据存储空间小、执行速度快。
• 规整性：规整性包括指令系统的对称性、匀齐性、指令格式和数据格式的一致性。
  • 对称性：在指令系统中所有的寄存器和存储器单元都可同等对待，所有的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，如算术运算指令可支持字节、字、双字整数的运算，十进制数运算和单、双精度浮点数运算等；
  • 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：系列机各机种之间具有相同的基本结构和共同的基本指令集，因而指令系统是兼容的，即各机种上基本软件可以通用。 但由于不同机种推出的时间不同，在结构和性能上有差异，做到所有软件都完全兼容是不可能的，只能做到**“向上兼容”**，即低档机上运行的软件可以在高档机上运行

4.2 指令格式

• 指令格式：指令字用二进制代码表示的结构形式
• 指令能反映以下信息：
  • 做什么操作
  • 如果需要操作数，从哪里取
  • 结果送哪里、下一条指令从哪里取
• 指令格式包括两个方面：

操作码字段OP	地址码字段A
表明指令的操作特性与功能	指定参与操作的操作数的地址

4.2.1 操作码

• 设计计算机时，对指令系统的每一条指令都要规定一个操作码。
• 指令的操作码OP表示该指令应进行什么性质的操作，如进行加法、减法、乘法、除法、取数、存数等等。不同的指令用操作码字段的不同编码来表示，每一种编码代表一种指令。·例如，操作码001可规定为加法操作；操作码010可规定为减法操作
• 组成操作码字段的位数一般取决于计算机指令系统的规模。较大的指令系统就需要更多的位数来表示每条特定的指令。例如，一个指令系统有32条指令，则需要5位操作码。一般来说，一个包含n位的操作码最多能表示2ⁿ条指令

4.2.2 地址码（重点）

• 根据一条指令中有几个操作数地址，可将该指令称为几操作数指令或几地址指令

零地址指令

操作码OP

功能：不需要操作数的指令，如 “停机”、“空操作”、“清除”等控制类指令。

一地址指令

操作码OP	操作数A1

功能描述： OP (A1) →A1
(AC) OP (A1) →AC
隐含约定操作数在累加器AC中

二地址指令

操作码OP	操作数A1	操作数A2

A1: 源/目的操作数地址
A2: 目的/源操作数地址
功能描述：
(A1) OP (A2)→A1
(A1) OP (A2)→A2

二地址指令根据操作数的物理位置分为

• SS 存储器-存储器类型
• RS 寄存器-存储器类型
• RR 寄存器-寄存器类型

三地址指令

操作码	A1	A2	A3

A1: 被操作数地址，也称源操作数地址
A2: 操作数地址，也称目的操作数地址
A3: 存放操作结果的地址
功能描述：(A1) OP (A2)→A3

4.2.3 指令字长度 （重点）

概念

• 指令字长度：一个指令字包含二进制代码的位数）
• 机器字长：计算机能直接处理的二进制数据的位数。
• 单字长指令:指令字长度等于机器字长度的指令。
• 半字长指令:指令字长度等于半个机器字长度的指令。
• 双字长指令:指令字长度等于两个机器字长度的指令。

多字长指令的优缺点

• 优点：提供足够的地址位来解决访问内存任何单元的寻址问题 ；
• 缺点：必须两次或多次访问内存以取出一整条指令，降低了CPU的运算速度，又占用了更多的存储空间。
• 指令系统中指令采用等长指令的优点：各种指令字长度是相等的，指令字结构简单，且指令字长度是不变的 ；
• 采用非等长指令的的优点：各种指令字长度随指令功能而异，结构灵活，能充分利用指令长度，但指令的控制较复杂 。
• 题目一般默认机器字长为16位，如下题
  

4.3 操作数类型

4.3.1 一般的数据类型

• 地址数据:地址实际上也是一种形式的数据。
• 数值数据:计算机中普遍使用的三种类型的数值数据。
  • 定点整数或定点小数、浮点数、压缩十进制数
• 字符数据:文本数据或字符串，目前广泛使用ASCII码。
• 逻辑数据:一个单元中有若干二进制bit项组成，每个bit的值可以是1或0。当数据以这种方式看待时，称为逻辑性数据。

4.4 指令和数据的寻址方式 （重点！）

• 在存储器中，操作数或指令字写入或读出的方式，有地址指定方式、相联存储方式和堆栈存取方式。几乎所有的计算机，在内存中都采用地址指定方式。
• 寻址方式：形成操作数或指令地址的方式
  • 指令寻址方式：用于形成指令在内存中的地址
  • 数据寻址方式：用于形成操作数在内存中的地址

4.4.1 指令寻址方式

• 顺序寻址方式
• 跳跃方式
  

4.4.2操作数寻址方式

根据指令中给出的地址码字段寻找真实操作数的方式，即形成操作数的有效地址的方法，称为操作数的寻址方式。 例如，一种单地址指令的结构如下：

操作码OP	变址X　　　间址I	形式地址A
	寻址方式特征位	偏移量

寻址过程就是把操作数的形式地址，变换为操作数的有效地址的过程。

1、隐含寻址

• 特点：在指令中不明显地给出操作数地地址，而是隐含着操作数的地址
• 单地址的指令格式，在指令地址字段中，没有指明第二操作数的地址，而是规定累加器AC作为第二操作数地址，AC就是一个隐含地址

2、立即寻址

• 特点：立即寻址是一种特殊的寻址方式，指令的地址字段指出的不是操作数地址，而是操作数本身
• 数据就包含在指令中，只要取出指令，就取出了可以立即使用的操作数，因此，这样的操作数被称为立即数。
• 指令中包含的操作数立即可用，节省了访问内存的时间
• 指令格式：操作码OP 操作数A
• 例： 指令 mov ax, 100

3、直接寻址

• 特点：指令中地址码字段给出的地址A就是操作数的有效地址EA(Effective Address)，又称为直接地址，即EA＝A。

4、间接寻址

• 特点：指令地址字段中的形式地址A不是操作数的真正地址，而是操作数地址的指示器，即：A的内容才是操作数的有效地址操作数的有效地址：EA＝(A)【就套娃呗（】
  

5、寄存器寻址

• 特点：操作数不在内存中，而是放在通用寄存器中
• 指令中给出的操作数地址不是内存的地址单元编号，而是通用寄存器的编号，指令的操作数存放在相应的寄存器中，即EA=R_i

优点

• 由于寄存器在CPU的内部，指令在执行时从寄存器中取操作数比访问主存要快得多；
• 由于寄存器的数量较少，因此寄存器编号所占位数也较少，从而可以有效减少指令的地址码字段的长度。

6、寄存器间接寻址

• 特点：指令中的寄存器内容不是操作数，而是操作数的地址，真正的操作数在内存中。即将操作数放在主存储器中，而操作数的地址放在某一通用寄存器中，然后在指令的地址码部分给出该通用寄存器的编号，这时有EA=(Ri)【套娃再套娃呗（】
  

• 优点：这种寻址方式的指令较短，并且在取指后只需一次访存便可得到操作数，因此指令执行速度较前述的间接寻址方式要快，也是目前在计算机中使用较为广泛的一种寻址方式。

7、偏移寻址

• 直接寻址和寄存器间接寻址方式的结合
• 有效地址：EA＝A+( R )，A是形式地址
  • 要求指令中有两个地址字段，至少其中一个是显示的。
  • 形式地址A直接被使用
• 常用的三种偏移寻址是：
  • 相对寻址、基址寻址、变址寻址
• 相对寻址：由程序计数器PC提供基准地址，而指令的地址码部分给出相对的位移量D，两者相加后作为操作数的有效地址，即：EA＝(PC)＋D。程序计数器的内容就是当前指令的地址。
• 基址寻址：基址寄存器的位数可以设置得很长，从而可以在较大的存储空间中寻址。
• 变址寻址：变址寻址就是将指令的地址码部分给出的基准地址A与CPU内某特定的变址寄存器Rx中的内容相加，以形成操作数的有效地址

8、段寻址方式

• 微型机中采用了段寻址方式，其实质还是基址寻址
• 将1MB主存储器空间按照最大长度64KB划分成若干段，在寻址一个具体的内存单元时，由一个基地址寄存器(段寄存器)再加上指令中提供的16位偏移量来形成实际的20位物理地址
  

9、堆栈寻址堆栈

• 能存取数据的暂时存储单元
• 两种形式：寄存器堆栈和存储器堆栈
• 存储原则：先进后出
• 数据的存取都通过栈顶，需要一个隐式或显式的堆栈指示器(栈顶指针)
• 堆栈指令：PUSH、POP

[例4] 一种二地址RS型指令的结构如下：
6位　　 4位　　 　　 　　 1位　 2位　　 16位
OP　　 通用寄存器　　 　　I　　 X　　 偏移量D
　其中I为间接寻址标志位，X为寻址模式字段，D为偏移量字段。通过I，X，D的组合，可构成如下寻址方式：

请写出6种寻址方式的名称。

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来源： https://blog.csdn.net/qq_45890533/article/details/118001130