第四章-指令系统

指令：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。
指令是由操作码和若干个地址码组成
零地址指令：

• 不需要操作数，如空操作、停机、关中断等指令
• 堆栈计算机，另个操作数隐含存放在栈顶和次栈顶，计算结果压回栈顶
  一地址指令：
• 只需要单操作数，如加1、减1、取反、求补等
• 需要两个操作数，但其中一个操作数隐含在某个寄存器
  二、三地址指令：
• 需要两个操作数的算术运算、逻辑运算相关指令，需要访存4次
• 常用于需要两个操作数的算数运算、逻辑运算相关指令
  四地址指令：需要访存4次
  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
  可变长操作码：指令系统中个指令的操作码长度可变

寻址方式

指令寻址

• 顺序寻址：PC + “1”->PC
• 跳跃寻址：有转移指令指出

数据寻址

确定本条指令的地址码指明的真实地址

• 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，需要访存两次
  • 优点：简单，指令执行阶段进访问一次主存，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
• 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，需要访存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（一次间接寻址需要两次访存，多次寻址需根据存储字地最高位确定几次访存）
• 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=R，其操作数在由R所指地寄存器内。需访存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
• 寄存器间接寻址：寄存器R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。需访存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
• 隐含寻址：不是明显的给出操作数的地址，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地硬件
• 立即寻址：形式地址A就是操作数本身，又称为立即数，一般采用补码形式。需访存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
• 基址寻址：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，而形成操作数的有效地址，即EA=（BR）+A。（面向操作系统的，其内容由操作系统或管理程序确定）
  • 便于程序“浮动”，方便实现多道程序并发执行，可扩大寻址范围
• 变址寻址：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。（面向用户的，变址寄存器的内容可有用户改变）
• 相对寻址：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（相对于下一条指令）的位移量，可正可负，==补码表示。==
  • 某一段代码在程序内浮动时不用更改跳转指令的地址码
• 堆栈寻址：操作数存放在堆栈中，隐含使用堆栈指针（SP）座位操作数地址

CISC和RISC

CISC：一条指令完成一个复杂的基本功能（x86架构，主要用于笔记本、台式机等）80-20规律：典型程序中80%的语句仅仅使用处理机中的20%的指令
RISC：一条指令完成一个基本“动作”；多条指令组合完成一个复杂的基本功能（ARM架构，主要用于手机、平板等）