计算机组成原理——指令系统（六）

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目录

5.3 典型指令

5.3.1 指令的分类

5.3.2 计算机指令结构分类

1. 按指令集的复杂度分类

1.1 CISC（Complex Instruction Set Computer）

1.2 RISC（Reduced Instruction Set Computer）

2. 按指令的操作类型分类

2.1 数据传输指令

2.2 算术逻辑指令

2.3 控制流指令

2.4 系统控制指令

3. 按指令的寻址方式分类

4. 按指令长度分类

4.1 定长指令

4.2 变长指令

5. 按存储方式分类

5.1 栈式架构

5.2 寄存器架构

5.3 混合架构

6. 按并行处理能力分类

6.1 SIMD指令（单指令多数据）

6.2 向量指令

7. 其他特殊指令

总结

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5.3 典型指令

5.3.1 指令的分类

在计算机组成原理中，指令集架构（Instruction Set Architecture, ISA）是计算机硬件和软件之间的接口。它定义了处理器能够执行的所有操作。指令的分类有助于我们理解不同类型指令的功能及其对系统性能的影响。以下是根据功能和作用对指令进行的一种常见分类方式：

1. 数据传送指令：这类指令负责在寄存器与寄存器之间、寄存器与存储器之间传输数据。例如，MOV（移动）指令用于将数据从一个位置复制到另一个位置。

2. 算术逻辑指令：包括所有基本的算术运算（如加法 ADD、减法 SUB）和逻辑运算（如与 AND、或 OR、非 NOT）。这些指令对数据进行处理，以实现计算任务。

3. 移位操作指令：用于对寄存器中的内容进行左移或右移操作，通常包含逻辑移位、算术移位等。它们对于执行某些类型的数值计算和位操作非常有用。

4. 跳转指令：控制程序的执行流程，使得程序可以有条件或无条件地跳转到指定的指令地址继续执行。常见的有 JMP（无条件跳转）、JE/JZ（等于时跳转）、JNE/JNZ（不等于时跳转）等。

5. 函数调用指令：支持子程序或函数的调用和返回，允许程序执行过程中临时转移到另一个代码段执行，并能在完成后返回原位置。典型指令包括 CALL（调用子程序）和 RET（从子程序返回）。

6. 比较与测试指令：用于比较两个值或者测试某个值是否满足特定条件，为后续的条件跳转提供依据。比如 CMP（比较）指令会比较两个操作数但不会保存结果，而是影响标志寄存器以便于后面的条件判断。

7. 系统控制指令：涉及操作系统级别的操作，如中断请求、权限级别改变等。这些指令允许用户模式下的程序请求操作系统服务或改变执行环境的安全状态。

每种类型的指令都有其独特的作用，共同支持了现代计算机系统的复杂操作。理解这些指令类型有助于深入学习计算机体系结构以及编写高效的程序代码。

5.3.2 计算机指令结构分类

计算机指令结构是计算机体系结构的核心组成部分，它决定了硬件如何执行程序、处理数据以及优化性能。指令结构的设计直接影响计算机的功能、效率和兼容性。根据不同的分类标准，计算机指令结构可以分为以下几类：

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1. 按指令集的复杂度分类

计算机指令集的复杂度是区分不同架构的重要标准，主要分为 CISC（复杂指令集计算机） 和 RISC（精简指令集计算机）。

1.1 CISC（Complex Instruction Set Computer）

特点：

• 指令数量多，功能复杂。

• 单条指令可完成多个操作（如内存访问、算术运算）。

• 支持多种寻址模式。

• 指令长度不固定（变长指令）。

典型应用：
x86架构（Intel/AMD处理器）。

优势与劣势：

优点	缺点
代码密度高，程序体积小	硬件复杂度高，设计成本大
适合复杂任务（如内存操作）	指令执行周期长，流水线效率低
编程灵活，编译器设计简单	功耗较高，难以优化

示例：
一条CISC指令可能直接完成 MOV [AX], [BX] + [CX] * 2 这样的内存操作。

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1.2 RISC（Reduced Instruction Set Computer）

特点：

• 指令数量少，功能简单。

• 单条指令仅完成基本操作（如寄存器间的数据传输）。

• 固定指令长度（定长指令）。

• 采用流水线技术提升效率。

典型应用：
ARM架构（移动设备、嵌入式系统）、MIPS、RISC-V。

优势与劣势：

优点	缺点
硬件设计简单，易于优化	代码密度低，程序体积大
指令执行周期短，流水线效率高	复杂任务需多条指令组合
低功耗，适合移动设备	编译器设计复杂度高

示例：
RISC指令需分解复杂操作为多步：

1. LOAD R1, [BX]

2. LOAD R2, [CX]

3. MUL R3, R2, #2

4. ADD R4, R1, R3

5. STORE [AX], R4

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2. 按指令的操作类型分类

指令按功能可分为 数据传输类、算术逻辑类、控制流类 和 系统控制类。

2.1 数据传输指令

负责数据在寄存器、内存、I/O设备间的移动。

指令	功能	示例
MOV	寄存器/内存间数据传输	MOV AX, BX
LOAD	从内存加载数据到寄存器	LDR R0, [R1]
STORE	将寄存器数据存入内存	STR R0, [R1]

2.2 算术逻辑指令

执行算术运算（加减乘除）和逻辑运算（与或非）。

指令	功能	示例
ADD	加法	ADD R1, R2, R3（R1 = R2 + R3）
SUB	减法	SUB R1, R2, #5
AND	按位与	AND R0, R1, R2

2.3 控制流指令

控制程序执行顺序（跳转、分支、函数调用）。

指令	功能	示例
JMP	无条件跳转	JMP 0x1000
CALL	函数调用	CALL func
RET	函数返回	RET

2.4 系统控制指令

管理硬件资源（中断、特权模式切换）。

指令	功能	示例
INT	触发中断	INT 0x80
HALT	停止CPU	HLT

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3. 按指令的寻址方式分类

寻址方式决定了操作数的来源，常见的寻址方式包括：

寻址方式	描述	示例
立即寻址	操作数直接包含在指令中	ADD R1, R2, #5
寄存器寻址	操作数在寄存器中	MOV AX, BX
直接寻址	操作数为内存地址	LOAD R0, [0x1000]
间接寻址	寄存器中存储内存地址	LOAD R0, [R1]
基址变址寻址	基址寄存器 + 变址寄存器	MOV AX, [BX+SI]
相对寻址	基于程序计数器的偏移量	JMP PC + 0x20

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4. 按指令长度分类

指令长度影响代码密度和译码效率。

4.1 定长指令

• 所有指令长度相同（如32位）。

• 优势：译码简单，适合流水线设计（RISC架构）。

• 示例：ARM指令集（32位定长）。

4.2 变长指令

• 指令长度可变（1字节到多字节）。

• 优势：代码密度高（CISC架构）。

• 示例：x86指令集（指令长度1~15字节）。

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5. 按存储方式分类

根据操作数的存储位置，可分为 栈式架构、寄存器架构 和 混合架构。

5.1 栈式架构

• 操作数存储在栈中。

• 示例：Java虚拟机（JVM）指令集。

• 特点：无需显式指定操作数，但访问速度较慢。

5.2 寄存器架构

• 操作数存储在寄存器中。

• 示例：ARM、x86。

• 特点：速度快，需显式管理寄存器。

5.3 混合架构

• 结合栈和寄存器的优势。

• 示例：现代JVM（如HotSpot）通过JIT编译器优化栈操作为寄存器操作。

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6. 按并行处理能力分类

现代处理器通过并行指令提升性能。

6.1 SIMD指令（单指令多数据）

• 一条指令处理多个数据。

• 示例：Intel SSE/AVX指令集。

• 应用场景：图像处理、科学计算。

6.2 向量指令

• 专用硬件处理向量数据。

• 示例：GPU中的CUDA指令。

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7. 其他特殊指令

• 特权指令：仅在操作系统内核模式下执行（如修改页表）。

• 原子指令：保证操作的原子性（如CAS用于多线程同步）。

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总结

计算机指令结构的设计是硬件与软件协同优化的结果。通过分类分析，可以更好地理解不同架构的适用场景（如CISC适合通用计算，RISC适合嵌入式系统），并为编译器设计、性能调优提供理论支持。