计算机组成原理 — 指令系统

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大家好呀！我是小笙，本章我主要分享计算机组成原理的指令系统知识，希望内容对你有所帮助！

指令系统

指令的概述

指令的格式

• 操作码：反映机器做什么操作

  • 长度固定：将操作码集中放在指令字的一个字段内（用于指令字段较长的情况。例如： IBM370）

  • 长度可变：操作码分散在指令字的不同字段中（有效地压缩操作码的平均长度，在字长较短的微型计算机中被广泛采用。例如：PDP-11）

  • 扩展操作码技术：操作码的位数随地址数的减少而增加

    

• 地址码：地址码用来指出该指令的源操作数的地址（一个或两个）、结果的地址以及下一条指令的地址

  分类：四地址指令、三地址指令、二地址指令、一地址指令、零地址指令

指令的字长取决于

• 操作码的长度
• 操作数地址的长度
• 操作数地址的个数

指令字长可以分为固定和可变：固定的时候，指令字长 = 存储字长 ； 可变的时候，按字节的整数倍数变化

操作数类型和操作种类

操作数的类型

• 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：逻辑运算

数据在存储器中的存放方式

• 不对准边界（从任意位置开始访问）

  优点：不浪费存储资源

  缺点：除了访问每个字节之外，访问其他任何类型的数据都可能花费两个存储周期的时间；读写控制比较复杂

  

• 对准边界（从一个存储字的起始位置开始访问）

  优点：无论访问任何类型的数据，在一个周期均可完成；读写控制简单

  缺点：浪费了宝贵的存储资源

  

• 边界对转方式（从地址的整数倍位置开始访问）

  数据存放的起始位置是数据长度的整数倍（前面两种方式的折中方案）

操作类型

• 数据传送：数据传送包括寄存器与寄存器、寄存器与存储单元、存储单元与存储单元之间的传送
• 算术逻辑操作：算术运算和逻辑运算
• 移位操作：分为算术移位、逻辑移位和循环移位
• 转移：跳转、无条件/条件转移等
• 输入输出：从外设中的寄存器读入一个数据到 CPU 的寄存器内，或将数据从 CPU 的寄存器输出至某外设的寄存器中

寻址方式

寻址方式：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

寻址方式分为指令寻址和数据寻址两大类

指令寻址

• 顺序寻址可通过程序计数器PC加1，自动形成下一条指令的地址
• 跳跃寻址则通过转移类指令实现

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数据寻址

指令的地址码字段通常都不代表操作数的真实地址

• 形式地址：指令中的地址（可以理解为逻辑地址）
• 有效地址：操作数的真实地址

以下寻址方式建立在 指令字长 = 存储字长 = 机器字长

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立即寻址

操作数本身设在指令字内，即形式地址 A 不是操作数的地址，而是操作数本身，又称之为立即数（数据是采用补码形式存放的）

优点：只要取出指令，便可立即获得操作数，这种指令在执行阶段不必再访问存储器

缺点：显然 A 的位数限制了这类指令所能表述的立即数的范围

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直接寻址

EA = A 有效地址由形式地址直接给出

优点：寻找操作数比较简单，也不需要专门计算操作数的地址，在指令执行阶段对主存只访问一次

缺点：A 的位数限制了操作数的寻址范围，而且必须修改A的值，才能修改操作数的地址

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隐含寻址

指令字中不明显地给出操作数的地址，其操作数的地址隐含在操作码或某个寄存器中

由于隐含寻址在指令字中少了一个地址，因此，这种寻址方式的指令有利于缩短指令字长

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间接寻址

倘若指令字中的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单元地址，也就是说，有效地址是由形式地址间接提供的，即为间接寻址，即EA=（A)

优点：它扩大了操作数的寻址范围以及便于编程

缺点：在于指令的执行阶段需要访存两次（一次间接寻址）或多次（多次间接寻址)，致使指令执行时间延长

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寄存器寻址

在寄存器寻址的指令字中，地址码字段直接指出了寄存器的编号，即EA=Ri

优点

• 操作数不在主存中，故寄存器寻址在指令执行阶段，无须访存，减少了执行时间
• 地址字段只需指明寄存器编号（计算机中寄存器数有限），故指令字较短，节省了存储空间

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寄存器间接寻址

Ri 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EA=(Ri)（有效地址不是存放在存储单元中，而是存放在寄存器中）

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基址寻址

基址寻址需设有基址寄存器 BR，其操作数的有效地址EA等于指令字中的形式地址与基址寄存器中的内容（称为基地址）相加，即 EA = A + (BR)

• 隐式：计算机内部专门设置一个基址寄存器 BR，使用时用户不必明显指出该基址寄存器
• 显式：一组通用的寄存器里，由用户来明确指出哪个寄存器用作基址寄存器

优点

• 基址寻址可以扩大操作数的寻址范围
• 基址寻址在多道程序中极为有用
• 用户也不可以修改基址寄存器的内容，确保系统安全可靠地运行

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变址寻址

变址寻址与基址寻址极为相似。其有效地址EA等于指令字中的形式地址A与变址寄存器 X的内容相加之和，即 EA = A +（IX)

变址寻址主要用于处理数组问题，在数组处理过程中，可设定A为数组的首地址，不断改变变址寄存器X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

优点

• 只要变址寄存器位数足够，也可扩大操作数的寻址范围
• IX 的内容由用户给定
• 在程序执行过程中 IX 内容可变，形式地址A是不可变的
• 便于处理数组问题

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堆栈寻址

堆栈分为硬堆栈（多个寄存器）、软堆栈（指定的存储空间）

堆栈寻址就其本质也可视为寄存器间接寻址，因SP可视为寄存器，它存放着操作数的有效地址

RISC 和 CISC 技术

RISC 即精简指令系统计算机

主要特征：

• 选用使用频率较高的一些简单指令；复杂指令的功能由简单指令来组合实现
• 指令长度固定、指令格式种类少、寻址方式少
• 只有 LOAD/STORE 指令访存
• CPU 中有多个通用寄存器
• 采用流水技术，一个时钟周期内完成一条指令
• 采用组合逻辑实现控制器

CISC 即复杂指令系统计算机

主要特征：

• 系统指令复杂庞大，各种指令使用频度相差大
• 指令长度不固定、指令格式种类多、寻址方式多
• 访存指令不受限制
• CPU 中设有专有寄存器
• 大多数指令需要多个时钟周期执行完毕
• 采用微程序控制器

RISC 和 CISC 的比较

	CISC	RISC
指令系统	复杂，庞大	简单，精简
指令数目	大于200条	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
控制方式	绝大多数为微程序	绝大多数用组合逻辑
通用寄存器数量	较少	多