指令

指令格式和分类

指令格式

相关概念

Ad(Address) 形式地址

AC(Accumulation register)累加寄存器

ALU(Arithmetic logic unit)算术逻辑单元

MQ(Multiplier-Quotient Register)乘商寄存器

DR(Data Register) 数据寄存器

AR(Address Register) 地址寄存器(MAR)

IR(Instruction Register) 指令寄存器

BR(Buffer Register) 缓冲寄存器(MBR)

ID(Instruction Decoder) 指令译码器

PC(ProgramCounter) 程序计数器

OP（Operate Code）: 操作码 指令中用于指出操作性质的字段。

了解指令

指令系统

每种计算机系统均有一组指令提供给用户使用

指令

般由操作码和地址码两部分构成，其中操作码在前，地址码在后，地址码的个数可变

|操作码OP| 地址码|

操作码是指明指令操作性质的命令码,它提供指令的操作控制信息，不可缺少

操作数地址码用来描述该指令的操作对象及其所在位置

|OP|4|A2|A3(结果)|A4(下地址)|

指令含义:$ (A_1) OP (A_2) ->A_3，A_4=$下一条将要执行指令的地址

指令执行

一条指令的执行 (假设每个地址都是主存地址)

取指令访存1次 (假设指令字长=存储字长)

取两个操作数访存2次

存回结果访存1次

共访存4次

取指

PC（程序计数器）=0   指向第一条指令的位置，PC存放了当前欲执行指令的位置。

MAR（地址寄存器）=0   PC把地址０交给了地址寄存器MAR

MDR（数据寄存器）=000001 0000001000   MAR根据地址在0的存储单元中取出指令，交给了数据寄存器MDR

IR（指令寄存器）=000001 0000001000   MDR将指令交给了指令寄存器IR

分析

OP(IR)=000001   获取指令操作码

PC=PC+1   地址为0的存储单元中的指令执行结束，程序计数器PC自动+1

执行

MAR=Ad(IR)=0000001000   获取数据地址

MDR=X   从MAR获取真实数据的值

ACC=MDR=x   MDR将数据放入累加器ACC中

取指

PC=1

MAR=1

MDR=000100 0000001001

IR=000100 0000001001

分析

OP(IR)=000100

PC=PC+1

执行

MAR=Ad(IR)=0000001001

MDR=a

MO=MDR=a 从MDR读取数据放入乘商寄存器MO

X=ACC=x 把ACC中的值放入通用寄存器X

ACC=ax

按地址码分类

四地址指令

|OP|$A_1$|$A_2$|$A_3$(结果)|$A_4$(下地址)|

指令含义: $(A_1)OP (A_2) ->A_3，A_4=$,下一条将要执行指令的地址，完成一条指令访存4次

三地址指令

|OP|$A_1$|$A_2$|$A_3$(结果)|

指令含义 : $(A_1)OP (A_2) ->A_3$完成一条指令访存4次。区别在于地址码位数不同

二地址指令

|OP|$A_1$|$A_2$|

指令含义: $(A_1)OP (A_2)->A_1$完成一条指令访存4次

一地址指令

指令含义 : $(A_1)OP (A_2)->A_1$,完成一条指令访存3次。

$(ACC) OP (A_1)->ACC$，约定目的地址为ACC，完成一条指令访存2次

零地址指令

1) 不需要操作数的指令，如空操作指令、停机指令、关中断指令等

2) 零地址的运算类指令仅用在堆栈计算机中。

通常参与运算的两个操作数隐含地从栈顶和次栈顶弹出，送到运算器进行运算，运算结果再隐含地压入堆栈

按操作码分类

定长指令字结构

指令字长固定的指令

变长指令字结构

指令字长不固定的指令

列题

假设指令字长为16位:前4位为基本操作码字段OP

4位基本操作码若全部用于三地址指令，则有16条

但至少须将1111留作扩展操作码之用，即三地址指令为15条

111111留作扩展操作码之用，二地址指令为15条

111111111111留作扩展操作码之用，一地址指令为15条

零地址指令为16条

列题

设指令字长固定为16位，试设计一套指令系统满足:

a有15条三地址指令

b有12条二地址指令

c有62条一地址指令

d有32条零地址指令

设地址长度为n，上一层留出m种状态，下一层可扩展出$m*2^n$种状态

按长度分类

单字长指令: 指令长度=机器字长

半字长指令、双字长指令

按操作类型分类

数据传送类

数据传送目的

• LOAD 作用:把存储器中的数据放到寄存器中
• STORE 作用: 把寄存器中的数据放到存储器中 运算类 算术逻辑操作
• 算术:加、减、乘、除、增1、减1、求补、浮点运算、十进制运算
• 逻辑: 与、或、非、异或、位操作、位测试、位清除、位求反 移位操作 算术移位、逻辑移位、循环移位 (带进位和不带进位) 程序控制类 转移操作
• 无条件转移 :JMP
• 条件转移: - JZ:结果为0 - JO:结果溢出 - JC:结果有进位 - 调用和返回CALL和RETURN - 陷阱(Trap) 输入输出操作 CPU寄存器与IO端口之间的数据传送 (端口即IO接口中的寄存器)寻址方式

指令寻址

指令寻址

找到下一条欲执行指令的指令地址

顺序寻址: (PC)+1

PC   当前地址 ---> 地址+1

跳跃寻址: (PC)+A

数据寻址

数据寻址

找到本条指令的操作数地址

寻址特征

表明某种数据寻址方式

隐含寻址

不是显式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: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

立即数寻址

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

CPU执行:

• 取指令访存1次
• 执行指令访存0次
• 不考虑存放结果
• 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 直接寻址 形式地址A就是操作数的真实地址，即EA1=A ||寻址方式|EA1| |--------|--------|--------| |OP|看情况|A|

CPU执行:

• 取指令访存1次
• 执行指令访存1次
• 不考虑存放结果
• 共访存2次 优点:简单，指令执行阶段仅仅访问一次主存，不需要设计专门计算操作数的地址 缺点: A的位数限制了寻址的范围，而且操作数的地址不容易更改 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，即EA1=(A) ||寻址方式|EA1| |--------|--------|--------| |OP|看情况|A|

CPU执行:

• 取指令访存1次
• 执行指令访存2次
• 不考虑存放结果
• 共访存3次 优点: 可以扩大寻址范围，便于编制程序 缺点:指令在执行阶段要多次访存，多次访存的寻址需根据存储字的做高位确定 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。 ||寻址方式|EA1| |--------|--------|--------| |OP|看情况|A|

CPU执行:

• 取指令访存1次
• 执行指令访存o次
• 不考虑存放结果
• 共访存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 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)。 ||寻址方式|EA1| |--------|--------|--------| |OP|看情况|A|

CPU执行:

• 取指令访存1次
• 执行指令访存1次
• 不考虑存放结果
• 共访存2次 优点: 比一般的间接寻址快很多 缺点: 寄存器价格昂贵，而且在执行阶段需要访问主存 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为变址寄存器(专用)，也可用通用寄存器作为变址寄存器 ||寻址方式|EA1| |--------|--------|--------| |OP|看情况|A|

CPU执行:

• 取指令访存1次
• 执行指令访存1次
• 不考虑存放结果
• 共访存2次 优点:可以扩大寻址范围;在数组处理方面，可以设A为数组的首地址，不断改变IX,所以十分适合编制循环程序 缺点:寄存器价格昂贵，逻辑比较复杂 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是相对于当前指令地址的位移量，可正可负，补码表示。 ||寻址方式|EA1| |--------|--------|--------| |OP|看情况|A|

CPU执行:

• 取指令访存1次
• 执行指令访存1次
• 不考虑存放结果
• 共访存2次 优点: 操作数的地址不是固定的，随着PC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，广泛用于转移指令 缺点: 寄存器价格昂贵，逻辑比较复杂 堆栈寻址 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) ||寻址方式|EA1| |--------|--------|--------| |OP|看情况|A|

完成一次加法: 记栈顶单元Msp

(Msp)-->ACC   数据移入累加寄存器ACC

(SP)+1-->SP   栈指针加一

(Msp)-->X   数据移入通用寄存器

(SP)+1-->SP   栈指针加一

(ACC)+(X)-->T

(SP)-1=>SP(Y)-->Msp   回到栈顶

CPU执行:

• 取指令访存1次
• 软堆栈执行指令访存
• 不考虑存放结果 偏移寻址 变址寻址 基址寻址 相对寻址

总结

指令集

<table><capital>RISC和CISC的特点</capital><tr><th>CISC</th><th>RISC</th></tr><tr><td>指令就是程序</td><td>指令是一个动作</td></tr><tr><td>X86架构</td><td >ARM架构</td><!-- <td rowspan=2 colspan=2>单元格也可以从两个方向合并</td><td rowspan=2 width="10%">百分比和像素是可以混用的具体服从哪个取决于哪个大</td> --></tr><tr><td>指令使用不均匀</td><td>只保留基本指令</td></tr><tr><td colspan=2 align="center">实例: 设计一副扑克牌</td></tr></tr><tr><td>52张扑克牌就要有52个电路设计，但是这种设计是比较通用的。</td><td>13张不同的数字(A~K)4和花色设计17种电路，然后多条指令组合</td></tr></table>

RISC和CISC的对比

我正在参与2024腾讯技术创作特训营第五期有奖征文，快来和我瓜分大奖！