计算机组成原理 第四章 指令系统

第四章 指令系统

操作码：指明了“做什么”

地址码：指明了“对谁动手”

有的指令不需要地址码（停机）

指令格式

零地址指令

一地址指令

二地址指令

四次访存

三地址指令

四次访存

四地址指令

\[\begin{align} &n位地址码的直接寻址范围=2^n\\ &若指令总长度固定不变,则地址码数量越多,寻址能力越弱 \end{align} \]

指令按指令长度分类

定长操作码指令格式

可变长操作码指令格式

指令按操作类型分类

总结

扩展操作码指令格式

在设计扩展操作码指令格式时需注意：

（1）不允许短码是长码的前缀，即短操作码不能与长操作码的前面部分的代码相同

三地址指令前缀不能为1111

（2）各指令的操作码一定不能重复

扩展操作码示例

\[\begin{align} &设地址长度为n，上一层留出m种状态，下一层可扩展出m*2^n种状态\\ \end{align} \]

优缺点

指令寻址

下一条欲执行指令的地址（始终由程序计数器PC给出）

顺序寻址

定长指令寻址

按字编址

按字节编址

变长指令寻址

跳跃寻址

由转移指令指出（JMP）

总结

数据寻址

增加寻址特征

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

一次指令的执行访存2次：

（1）取指令访存1次

（2）执行指令访存1次

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，EA=(A)

寄存器寻址

\[\begin{align} &在指令字中直接给出操作数所在的寄存器编号，即EA=R_i，其操作数在由R_i所指的寄存器内\\ \end{align} \]

寄存器间接寻址

\[\begin{align} &寄存器R_i中给出的不是一个操作数,而是操作数所在主存单元的地址，即EA=(R_i)\\ \end{align} \]

隐含地址

不是显示的给出操作数的地址，而是在指令中隐含着操作数的地址

立即寻址

形式地址A就是操作数本身，又称立即数，一般采用补码形式

#表示立即寻址的特征

总结

偏移寻址

\[\begin{align} &偏移寻址=\begin{cases}&基址寻址,EA=(BR)+A\\&变址寻址,EA=(IX)+A\\&相对寻址,EA=(PC)+A\\\end{cases}\\ &区别在于偏移的“起点”不一样\\ &BR-base\space address\space register\\ &EA-effective\space address\\ \end{align} \]

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

根据通用寄存器总数判断要用几个bit指明寄存器

基址寻址的作用

当程序从0地址开始存储，可以使用直接寻址

但通常程序在内存非0地址起始，直接寻址就无法奏效

可以采用基址寻址

采用基址寻址无需修改指令中的地址

变址寻址

基址寻址中，BR保持不变作为基地址，A作为偏移量

变址寻址的作用

当实现循环时采用直接寻址需使用十条加法指令

使用变址寻址更为合适

基址寻址变址寻址复合寻址

IX-Index Register

先使用基址寻址将指令位置定位到100的基地址

再使用变址寄存器实现循环的偏移量增加

相对寻址

相对寻址的作用

总结

硬件如何实现数的“比较”（扩展）

无条件转移指令JMP2不会管PSW的各种标志位，直接跳转到2

PSW也被称为标志寄存器

堆栈寻址

硬堆栈与软堆栈

总结

CISC&RISC

CISC

RISC

对比