4。计算机组成原理（3）指令系统

嵌入式软件开发，非科班专业必须掌握的基本计算机知识
核心知识点：数据表示和运算、存储系统、指令系统、总线系统、中央处理器、输入输出系统

指令系统（Instruction Set）是计算机体系结构的关键组成部分之一，它定义了处理器支持的操作指令集合及其执行方式。指令系统决定了计算机能够执行的任务类型和处理速度，并且影响着软件的编程难度和运行效率。

指令系统通常包括以下几个方面：

1. 操作类型：指令可以实现的操作类型，如算术运算、逻辑运算、位移运算、分支跳转、数据传输等。

2. 操作数类型：指令操作数的类型，如整数、浮点数、指针、字符串等。

3. 寻址方式：指令如何寻址操作数的方式，如立即数寻址、直接寻址、间接寻址、基址寻址、变址寻址等。

4. 数据长度：指令操作数的长度，如8位、16位、32位、64位等。

5. 流水线：指令执行时是否使用流水线加速技术，以提高指令执行效率。

6. 中断异常：指令系统支持的中断、异常、陷阱类型和处理方式。

7. 特殊功能：指令系统还可能提供一些特殊功能，如乘法运算、除法运算、卡车向量乘积等。

不同的指令系统有不同的设计目标和特点。一些指令系统更加注重处理速度，一些则注重可编程性和通用性。例如，x86指令系统具有广泛的应用，并有着复杂的指令集和灵活的寻址方式，但不利于代码优化；而ARM指令系统则侧重于低功耗和高效能，以及支持多种操作数类型和寻址方式。

开发者需要仔细研究目标处理器的指令集，了解其设计目标、特点、限制和优化方法，以便能够有效地编写高效、稳定的程序。

一 指令格式

 第一部分：操作码字段（OP），第二部分：地址码字段 （A）

首先，地址码字段类型

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

 

优缺点

其次，操作码字段类型 

定长编码

变长编码

扩展操作码编码 （重要）

此时二地址容易被误判成三地址

注意：操作码编码的时候，短码不能是长码的前缀；扩展窗口可以留多个 

二 指令寻址方式

1）指令寻址

指令寻址有顺序寻址和跳跃寻址两种方式

2）数据寻址——加入寻址特征

立即寻址

直接寻址

隐含寻址

间接寻址

寄存器寻址

寄存器间接寻址

基址寻址：Ri保存了基址寄存器的编号

基址寻址是一种常见的寻址方式，它把某个地址作为基地址（也称为基准地址或者基地址寄存器）来执行寻址操作。在指令中使用基址加上偏移量来计算最终访问的内存地址，这样可以相对于基地址来实现寻址，从而避免了直接对内存地址进行访问。基址寻址的优点主要体现在以下几个方面：

1. 灵活性：基址寻址可以将一个地址当作基准来执行寻址操作，而不是使用固定的、硬编码的地址，可以使得程序设计更加灵活。

2. 安全性：基址寻址可以避免直接访问内存地址，使得代码更加安全。因为如果程序直接访问内存地址，那么内存地址很容易被黑客利用，造成系统漏洞。

3. 便捷性：通过基址寻址，可以实现数组、矩阵等复杂数据结构的处理，简化程序设计，并且在处理多维数组、结构体等数据类型时，不需要频繁的手动计算偏移量。

4. 维护性：基址寻址使代码可读性更高，代码具有自解释性，提高了代码的可维护性。因为通过基址寻址，直接可以理解程序员所写的指令是干什么的。

总的来说，基址寻址是一种灵活、安全、便捷、易维护的寻址方式，尤其适合用于处理复杂数据结构和多维数组等情况。

变址寻址

变址寻址也是一种常见的寻址方式，它将一个基地址与一个偏移量相加，来计算最终访问的内存地址。变址寻址主要适用于对数组进行访问、循环结构等情况，其优点主要体现在以下几个方面：

1. 灵活性：变址寻址可以根据程序需要，动态地计算基地址和偏移量，使得程序设计更加灵活。

2. 维护性：变址寻址可以减少代码重复，简化程序设计，提高代码的可读性和可维护性。通过使用循环结构和数组，可以用较少的代码实现复杂的操作。

3. 效率高：变址寻址采用了指针或者数组方式，节约了CPU运算时间和内存空间，并且可以直接访问数据，速度较快。

4. 便捷性：变址寻址可以方便地处理多维数组，可以使用一个算式表示多维数组中的元素地址，避免了繁琐的手动计算。

总的来说，变址寻址是一种灵活、高效、便捷、易维护的寻址方式，特别适合用于对数组进行访问和循环结构等场景下的操作。

相对寻址（变成可以浮动的程序）

相对寻址是一种相对于当前指令地址计算的寻址方式，通过在指令中使用一个偏移量来计算最终访问的内存地址。相对寻址的优点主要体现在以下几个方面：

1. 灵活性：相对寻址可以根据需要动态地计算地址，不依赖于固定位置或基址。这样可以实现更灵活的程序设计，提高代码的可读性和可维护性。

2. 相对安全：相对寻址避免了直接访问内存地址，相对安全，可以提高代码的安全性。因为如果程序直接访问内存地址，那么内存地址很容易被黑客利用，造成系统漏洞。

3. 效率高：由于相对寻址是相对于当前指令地址计算的，所以它不需要额外的寄存器或内存，可以节省一定的时间和空间。

4. 程序设计简单：相对寻址可以使得程序设计更加简单。特别是在处理分支跳转时，相对寻址可以用较少的指令实现复杂的控制流程，从而简化程序设计。

总的来说，相对寻址是一种灵活、安全、高效、简单的寻址方式，特别适合用于分支跳转和条件控制等操作。

堆栈寻址 

 

三 CISC（复杂指令集）&RISC（精简指令集）

CISC（复杂指令集计算机）和RISC（精简指令集计算机）是两种计算机指令集的不同类型（两种指令设计方式）。它们有以下几个区别：

1. 指令集数量：CISC的指令集比较大，其中包括很多功能强大但是比较复杂的指令；而RISC的指令集数量较少，每个指令都比较简单。

2. 存储器访问：CISC采用了一些复杂指令，可以直接访问内存中的数据，尤其适合处理复杂的数据结构，但是需要大量的存储器空间；而RISC采用了载入-存储结构，只能对寄存器进行操作，对内存的访问操作都必须通过load和store等指令进行。

3. 指令执行时间：CISC的每条指令需要较长的时间执行，但是可以一次完成多个操作；而RISC每条指令执行时间较短，但是每条指令只能执行一种操作。

4. 编译器：由于CISC的指令集较为复杂，编译器需要更强的优化能力来生成高效的汇编代码；而RISC的指令集比较简单，编译器相对容易实现。

总的来说，CISC的优点是指令集功能强大，可以完成更复杂的操作；而RISC的优点则是指令执行速度快、编写编译器相对容易、节省存储空间等。在实际应用中，CISC和RISC都有自己的领域和优缺点，需要根据不同的需求进行选择。

时钟周期：
一个时钟脉冲所需要的时间。在计算机组成原理中又叫T周期或节拍脉冲。是CPU和其他单片机的基本时间单位。
机器周期：
通常用从内存中读取一个指令字的最短时间来规定CPU周期（机器周期），也即CPU完成一个基本操作所需的时间。

一条指令的执行

四条指令全部进入流水线的状态（译码的同时，进行取指令操作），精简指令系统更适用于流水线操作