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指令系统

指令格式

一般形式

• 操作码字段+地址码字段

零地址指令

格式

• 操作码字段

含义

• 不需要操作数，如空指令、停机指令、关中断指令
• 在堆栈计算机中，参与运算的若干个操作数直接从栈顶弹出，结果也存放在堆栈中

一地址指令

格式

• 操作码字段+地址码1

含义

• 只有目的操作数的单操作数指令，从地址中取数据计算后存回该地址，如递增指令、取反指令等
  • OP(A1)->A1
• 隐含操作数的双操作指令，指令可约定另一个操作数由ACC给出，并将结果存入ACC
  • (ACC)OP(A1)->(ACC)

二地址指令

格式

• 操作码字段+地址码1+地址码2

含义

• 给出两个操作数进行计算，称为源操作数和目的操作数，其中目的操作数还存放本次运算结果
  • (A1)OP(A2)->(A2)

三地址指令

格式

• 操作码字段+地址码1+地址码2+地址码3

含义

• 给出两个操作数进行计算，结果存放在第三个操作数上
  • (A1)OP(A2)->(A3)

四地址指令

格式

• 操作码字段+地址码1+地址码2+地址码3+地址码4

含义

• 给出两个操作数进行计算，结果存放在第三个操作数上，下一条指令的地址为地址码4
  • (A1)OP(A2)->(A3)

分类

• 定长操作码指令
• 不定长操作码指令

寻址方式

指令寻址

• 顺序寻址
  • 程序计数器PC+1，得到下一条指令地址
• 跳跃寻址
  • 转移指令修改PC的值，从而修改下一条指令地址

数据寻址

格式

• 操作码+寻址特征+地址

隐含寻址

• 不显式给出操作数地址，如规定累加器作为第二操作数地址

立即数寻址

• 直接给定操作数

直接寻址

• 直接给出操作数在主存的地址
• EA=A

间接寻址

• 给出的地址为操作数地址的地址
• EA=(A)

寄存器寻址

• 给出操作数所在的寄存器编号
• EA=R

寄存器间接寻址

• 操作数地址在给定的寄存器中
• EA=(R)

相对寻址

• 操作数地址EA=(PC)+A

基址寻址

• 设置基址寄存器BR
• 由操作系统维护，程序运行时不可改变
• 使用通用寄存器作为BR，用户有权知道作为基址寄存器的寄存器是哪一个
• EA=(BR)+A
• 优点
  • 扩大寻址范围
  • 便于解决多道程序问题

变址寻址

• 设置变址寄存器IX

• 由用户维护

• 在程序运行时可修改

• EA=(IX)+A

• 优点

  • 扩大寻址范围
  • 适合处理数组问题和循环程序

堆栈寻址

• 使用栈顶作为隐含操作数地址

结合寻址方式

• 先间址再变址：EA=(A)+(IX)
• 先变址再间址：EA=(A+(IX))
• etc

运算标记位

• ZF：零标志，运算结果为0时置1
• OF：溢出标志，运算结果溢出时置1
• CF：进位/借位标志，把操作数都看作无符号数
  • 相减运算A-B时，若A<B时，则发生借位，CF置1
  • 相加运算时，若进位，CF置1
• SF：符号标志，把操作数看作有符号数
  • 结果为正时置1
  • 结果为负时置0

指令系统发展方向

CISC（复杂指令系统计算机）

• 指令数目多
• 指令长度不固定
• 指令格式多
• 寻址方式多
• 可以访存的指令不受限制
• 各指令使用频率相差大
• 各指令执行时间相差大，大部分要多个时钟周期
• 大多数采用微程序控制，部分指令复杂，难以适应硬连线控制
• 难以优化

RISC（精简指令系统计算机）

• 选取使用频率最高的指令，复杂指令功能由简单指令实现
• 指令长度固定
• 指令格式少
• 寻址方式少
• 只有Load和Store指令可以访存，其他指令操作都在寄存器间完成
• 通用寄存器数目多
• 采用指令流水线技术，多数指令在一个时钟周期内完成
• 以硬布线为主，不用或少用微程序控制
• 注重编译优化

对比

RISC优点

• 更能利用VLSI芯片面积
• 运算速度块
• 便于设计，成本低，可靠性高
• 便于优化

	CISC	RISC
指令系统	庞大，复杂	简单，精简
指令数目	一般大于200	一般少于100
指令字长	不固定	固定
可访存指令	不加限制	只有Load/Store指令
指令执行时间	差别大	绝大部分在一周期内完成
指令使用频率	差别大	都比较常用
通用寄存器数	较少	多
目标代码	难以优化	容易优化
控制方式	绝大多数使用微程序控制	绝大多数为组合逻辑控制
指令流水线	可以通过一定方式实现	必须实现