8.指令格式，指令的寻址方式

目录

一. 指令格式

二. 扩展操作码

三. 指令寻址

（1）指令寻址

（2）数据寻址

1.直接寻址

2.间接寻址

3.寄存器寻址

4.寄存器间接寻址

5.隐含寻址

6.立即寻址

7.基址寻址

8.变址寻址

9.相对寻址

10.堆栈寻址

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一. 指令格式

指令（又称机器指令）：是指示计算机执行某种操作的命令，是计算机运行的最小功能单位。一台计算机的所有指令的集合构成该机的指令系统，也称为指令集。
注：一台计算机只能执行自己指令系统中的指令，不能执行其他系统的指令。Eg: x86架构、ARM架构。

指令格式：一条指令就是机器语言的一个语句，它是一组有意义的二进制代码。一条指令通常要包括操作码字段和地址码字段两部分。根据地址码数目不同，可以将指令分为零地址指令、一地址指令、二地址指令...

零地址指令OP：

• 不需要操作数，如空操作、停机、关中断等指令
• 堆栈计算机，两个操作数隐含存放在栈顶和次栈顶，计算结果压回栈顶。例如数据结构后缀表达式。

一地址指令OP A1：

• 只需要单操作数，如加1、减1、取反、求补等。指令含义：OP(A1)→A1，完成一条指令需要3次访存：取指→读A1→写A1
• 需要两个操作数，但其中一个操作数隐含在某个寄存器（如隐含在ACC)。指令含义： (ACC)OP(A1)→ACC，完成一条指令需要2次访存：取指→读A1

注：A1指某个主存地址（类比C语言指针），(A1)表示A1所指向的地址中的内容（类比指针所指位置的内容）

二地址指令OP A1（目的操作数) A2（源操作数)：
常用于需要两个操作数的算术运算、逻辑运算相关指令。指令含义：(A1)OP(A2)→A1。完成一条指令需要访存4次，取指→读A1→读A2→写A1

三地址指令OP A1 A2 A3（结果）：
常用于需要两个操作数的算术运算、逻辑运算相关指令。指令含义：(A1)OP(A2)→A3。完成一条指令需要访存4次，取指→读A1→读A2→写A3

四地址指令OP A1 A2 A3（结果） A4（下址）：
A4=下一条将要执行指令的地址。指令含义：(A1)OP(A2)→A3。完成一条指令需要访存4次，取指→读A1→读A2→写A3。正常情况下：取指令之后PC+1，指向下一条指令。而四地址指令执行指令后，将PC的值修改位A4所指地址。

地址码的位数有什么影响?n位地址码的直接寻址范围=.若指令总长度固定不变，则地址码数量越多，每一个地址码位数越少，寻址能力越差。

指令字长：一条指令的总长度（可能会变)
机器字长：CPU进行一次整数运算所能处理的二进制数据的位数（通常和ALU直接相关)

存储字长：一个存储单元中的二进制代码位数（通常和MDR位数相同)

半字长指令、单字长指令、双字长指令――指令长度是机器字长的多少倍
指令字长会影响取指令所需时间。如：机器字长=存储字长=16bit，则取一条双字长指令需要两次访存。

定长指令字结构：指令系统中所有指令的长度都相等。变长指令字结构：指令系统中各种指令的长度不等

定长操作码：指令系统中所有指令的操作码长度都相同，n位操作码→条指令，控制器的译码电路设计简单，但灵活性较低
可变长操作码：指令系统中各指令的操作码长度可变，控制器的译码电路设计复杂，但灵活性较高

定长指令字结构（指令总长度不变）+可变长操作码→扩展操作码指令格式。

指令按操作类型分类：

二. 扩展操作码

定长操作码：在指令字的最高位部分分配固定的若干位（定长）表示操作码。一般n位操作码字段的指令系统最大能够表示2"条指令。

• 优：定长操作码对于简化计算机硬件设计，提高指令译码和识别速度很有利；
• 缺：指令数量增加时会占用更多固定位，留给表示操作数地址的位数受限。

扩展操作码(不定长操作码)：全部指令的操作码字段的位数不固定，且分散地放在指令字的不同位置上。最常见的变长操作码方法是扩展操作码，使操作码的长度随地址码的减少而增加，不同地址数的指令可以具有不同长度的操作码，从而在满足需要的前提下，有效地缩短指令字长。

• 优：在指令字长有限的前提下仍保持比较丰富的指令种类；
• 缺：增加了指令译码和分析的难度，使控制器的设计复杂化。

在设计扩展操作码指令格式时，必须注意以下两点：
（1）不允许短码是长码的前缀，即短操作码不能与长操作码的前面部分的代码相同。
（2）各指令的操作码一定不能重复。
通常情况下，对使用频率较高的指令，分配较短的操作码；对使用频率较低的指令，分配较长的操作码，从而尽可能减少指令译码和分析的时间。

三. 指令寻址

（1）指令寻址

指令寻址：下一条欲执行指令的地址(始终由程序计数器PC给出）。

顺序寻址：(PC)+“1”→PC（1是指令字长，不是存储字长也不是1个字节），先有+1操作（也就是让PC指向下一条指令），然后在执行本条指令。
跳跃寻址：由转移指令指出。每次取指令之后，PC一定会自动+1，指向下一条应该执行的指令，JUMP会把PC的值强制修改。

（2）数据寻址

数据寻址：确定本条指令的地址码指明的真实地址。

例如：左：JMP 7，7就是真实地址；中：7解读为从程序初始地址100的偏移；右：3解读为执行103时PC的偏移量。

求出操作数的真实地址，称为有效地址(EA)。指令中的地址码记为A。为了区别寻址方式，可以在前加几位寻址方式位：

1.直接寻址

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。

一条指令的执行：取指令访存1次，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，不需专门计算操作数的地址。
缺点：A的位数决定了该指令操作数的寻址范围。操作数的地址不易修改。

2.间接寻址

间接寻址：指令的地址字段给出的形式地址不是操作数的真正地址，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，即EA=(A)。

一条指令的执行：取指令访存1次，执行指令访存2次，暂不考虑存结果共访存3次

优点：可扩大寻址范围(有效地址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返回)。缺点：指令在执行阶段要多次访存(一次间址需两次访存，多次寻址需根据存储字的最高位确定几次访存)。

3.寄存器寻址

寄存器寻址：在指令字中直接给出操作数所在的寄存器编号，即EA=Ri,其操作数在由Ri所指的寄存器内。

一条指令的执行：取指令访存1次，执行指令访存0次（访问寄存器），暂不考虑存结果共访问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，计算机中寄存器个数有限。

4.寄存器间接寻址

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)。

一条指令的执行：取指令访存1次，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：需增加存储操作数或隐含地址的硬件。

6.立即寻址

立即寻址：形式地址A就是操作数本身（不是操作数在主存的地址，这一点和直接寻址区分开），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：取指令访存1次，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.基址寻址

基址寻址：以程序的起始存放地址作为“起点”。

左图：将CPU中基址寄存器（BR）的内容加上指令格式中的形式地址A，形成操作数的有效地址，即EA=(BR)+A。

右图：部分计算机没有BR，所以需要借用通用寄存器，在指令中指明要将哪个通用寄存器作为基址寄存器使用。

优点：便于程序“浮动”（修改BR的值即可），方便实现多道程序并发运行。可扩大寻址范围（基址寄存器的位数大于形式地址A的位数)。用户不必考虑自己的程序存于主存的哪一空间区域，故有利于多道程序设计，以及可用于编制浮动程序（整个程序在内存里边的浮动）。

注：基址寄存器是面向操作系统的，其内容由操作系统或管理程序确定。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确定。

8.变址寻址

变址寻址：程序员自己决定从哪里作为“起点”。有效地址EA等于指令字中的形式地址A与变址寄存器IX的内容相加之和，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）。而基址寻址中，BR保持不变作为基地址，A作为偏移量。

例如：执行求数组和的操作，如果采用直接寻址，每一次加法对应一条指令，编程就很不灵活：

而如果采用变址寻址方式：

在数组处理过程中，可设定形式地址A为数组的首地址，不断改变变址寄存器lX的内容，便可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。

复合寻址：假如上面的代码存在编号100的起始地址：

9.相对寻址

相对寻址：以程序计数器PC所指地址作为“起点”。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。

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

补充：关于汇编语言的比较和跳转：

10.堆栈寻址

堆栈寻址：操作数存放在堆栈中，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) 。

上面称为硬堆栈，硬堆栈直接使用寄存器，如果在主存中操作，我们称为软堆栈。堆栈可用于函数调用时保存当前函数的相关信息。