【计算机组成原理】指令系统&考研真题详解之拓展操作码！

计算机组成原理：指令系统概述与深入解析

1. 指令系统概述

计算机软硬件界面的概念

在计算机组成原理中，指令系统扮演着至关重要的角色，它是计算机软硬件界面的核心。软件通过指令与硬件进行通信，硬件根据指令执行相应的操作。指令是软件的最底层，是计算机执行任务的基本单位，它们直接驱动硬件进行工作。

指令在计算机中的作用

指令是计算机执行任务的基本单元。每一个指令都包含了执行特定操作所需的全部信息，包括操作码（Opcode）和操作数（Operands）。指令的作用是告诉计算机的硬件需要执行哪些操作，以及如何执行这些操作。

2. 记忆内容

指令系统的定义和重要性

指令系统定义了计算机硬件能执行的所有指令的集合。它的重要性在于，指令系统的设计直接影响到计算机的性能、效率以及编程的便利性。一个优秀的指令系统可以提高程序的执行效率，简化编程过程，并且增强计算机处理复杂任务的能力。

概念

指令(又称机器指令): 是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。 一台计算机的所有指令的集合构成该机的指令系统，也称为指令集。 注:一台计算机只能执行自己指令系统中的指令，不能执行其他系统的指今: X86架构、ARM架构

指令的格式（分类）

一条指令就是机器语言的一个语句，它是一组有意义的二进制代码。

一条指令通常要包括操作码字段和地址码字段两部分：

一条指令可能包含 0 个、 1 个、 2 个、 3 个、 4 个 地址码 …

根据地址码数目不同，可以将指令分为 零地址指令、一地址指令、二地址指令 …

按指令长度分类

指令字长 ：一条指令的总长度（可能会变）

机器字长： CPU 进行一次整数运算所能处理的二进制数据的位数（通常和 ALU 直接相关）

存储字长：一个存储单元中的二进制代码位数（通常和 MDR 位数相同）

半字长指令、单字长指令、双字长指令

—— 指令长度是机器字长的多少倍

指令字长会影响取指令所需时间。如：机器字长 = 存储字长 =16bit ，则取一条双字长指令需要两次访存

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

按操作码长度分类

定长操作码：指令系统中所有指令的操作码长度都相同   n 位 -> 2的n次方 条指令

可变长操作码 ：指令系统中各指令的操作码长度可变

定长指令字结构 + 可变长操作码  ->扩展操作码指令格式

按操作类型分类

1.数据传送

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

2. 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

3. 移位操作

算术移位、逻辑移位、循环移位 ( 带进位和不带进位 )

4. 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) 与陷阱指令

5. 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

按照地址数量分类

然而不同格式的指令  他们的指令字长却相等 这就造就了一个类型的题：拓展操作码题目！

拓展操作码

我们都知道根据地址码数量分类有以上几种指令  

但是一般的指令都是定长，所以哪怕在同一套系统中  同时用到了多种的指令  也会采用同样的字长来进行存储 

所以这个时候就会有很经典的问题：

做这道题我们要知道一件事情：  指令的本质是什么？

很简单 那就是排列组合！

也就是说 “其中三地址指令29”条这句话，完全可以翻译成“三地址这种类型的指令一共能有29种不同的可能性”  这样说就清晰多  因为这就意味着 我们需要用若干个字节 来表示这29种不同的可能性

然后又已知每一个字节位能表示的可能性是2种（0/1），那么我们想有多少个字节可以表示29种不同的可能呢？最少5种 （因为2的4次方=16<29），2^5=32＞29，也就是说有32-29=3种可能性是不在三地址指令这种类型的指令集里面的，所以这3 种余出来的可能性要被利用

就在下一种 “二地址指令集”中利用到  

所以就会有3*2^6=192种可能性，192>107所以完全足够表示这些可能性，，

所以指令字长应该是5位操作码+6*3位地址码=23位

因为是字节编制，是8的整数 所以是24