计算机组成原理 第四章 指令格式

第四章 指令格式

4.1指令格式

一条指令由操作码、地址码组成，其中地址码可能有0~4个

1.基本格式

操作码字段：指出指令中该指令应该执行什么性质的操作和具有何种功能
地址码字段：给出被操作的信息的地址或操作数本身、可以有多个地址码
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2.按地址码数目分类

零地址指令

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​ 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核计算机中。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到堆栈中。

一~四地址指令

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定长操作码指令格式
在指令字的最高位部分分配固定的若干位（定长）表示操作码
一般n位操作码字段的指令系统最大能表示2^n条指令
扩展操作码指令格式
全部指令的操作码字段的位数不固定

3.按指令长度分类

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定长指令字结构：所有指令长度相同
在指令字的最高位部分分配固定的若干位（定长）表示操作码
一般n位操作码字段的指令系统最大能表示2^n条指令

变长指令字结构：各指令长度不同

4.按操作类型分类

数据传送类：CPU、主存之间的数据传送

​ 传送指令通常有寄存器之间的传送(MOV)、从内存单元读取数据到CPU 寄存器
​ (LOAD)、从CPU寄存器写数据到内存单元(STORE) 等。

运算类：算术逻辑操作、移位操作

​ 移位指令主要有算法移位、逻辑移位、循环移位等。

程序控制类：改变程序执行流

输入输出类：CPU、IO设备之间的数据传送

5.扩展操作码

为了在指令字长有限的前提下仍保持比较丰富的指令种类，可采取可变长度操作码，即全
部指令的操作码字段的位数不固定，且分散地放在指令字的不同位置上。显然，这将增加指令
译码和分析的难度，使控制器的设计复杂化。

最常见的变长操作码方法是扩展操作码，它使操作码的长度随地址码的减少而增加，不
同地址数的指令可具有不同长度的操作码，从而在满足需要的前提下，有效地缩短指令字
长。

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在设计扩展操作码指令格式时，必须注意以下两点:
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。
2)各指令的操作码一定不能重复。
通常情况下，对使用频率较高的指令分配较短的操作码，对使用频率较低的指令分配较长
的操作码，从而尽可能减少指令译码和分析的时间。

4.2 指令的寻址方式

寻址方式是指寻找指令或操作数有效地址的方式，即确定本条指令的数据地址及下一条待
执行指令的地址的方法。寻址方式分为指令寻址和数据寻址两大类。

指令寻址：寻找下一条将要执行的指令地址称为指令寻址;

数据寻址：寻找本条指令的数据地址称为数据寻址。

1.指令寻址

指令寻址方式有两种:一种是顺序寻址方式，另一种是跳跃寻址方式。
(1)顺序寻址
通过程序计数器PC加1 (1个指令字长)，自动形成下一条指令的地址。

此处的“1”要理解为一个指令字长，每次取指令结束后，一定会PC+“1”

(2)跳跃寻址
通过转移类指令实现。

所谓跳跃，是指下条指令的地址不由程序计数器PC自动给出，而由本条指令给出下条指令地址的计算方式。而是否跳跃可能受到状态寄存器和操作数的控制，跳跃的地址分为绝对地址(由标记符直接得到)和相对地址(相对于当前指令地址的偏移量)，跳跃的结果是当前指令修改PC值，所以下一条指令仍然通过PC给出。

2.数据寻址

数据寻址是指如何在指令中表示一个操作数的地址，如何用这种表示得到操作数或怎样计
算出操作数的地址。
数据寻址的方式较多，为区别各种方式，通常在指令字中设一个字段，用来指明属于哪种
寻址方式，由此可得指令的格式如下所示:

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常见的数据寻址方式
（1）隐含寻址：不是明显地给出操作数地址，而是在指令中隐含着操作数的地址

例如，单地址的指令格式就不明显地在地址字段中指出第二操作数的地址，而规定累加器(ACC)作为第二操作数地址，指令格式明显指出的仅是第一操作 数的地址。因此，累加器(ACC)对单地址
指令格式来说是隐含寻址，如图4.2所示。

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优缺点：

隐含寻址的优点是有利于缩短指令字长:

缺点是需增加存储操作数或隐含地址的硬件。

(2) 立即(数)寻址
这种类型的指令的地址字段指出的不是操作数的地址，而是操作数本身，又称立即数，采用补码表示

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优缺点：

优点：指令在执行阶段不访问主存，指令执行时间最短;

缺点：形式地址A的位数限制了立即数的范围。

访存次数：

一条指令的执行：

取指令 访存 1次
执行指令 访存0次

（3）直接寻址

在指令格式的地址的字段中直接指出操作数在内存的地址。指令字中的形式地址A是操作数的真实地址EA，即EA=A，如图4.4所示。

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优缺点：

优点：简单，指令在执行阶段仅访问一次主存，不需要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。

（四）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EA=(A)

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在图4.5中，主存字第一位为1时，表示取出的仍不是操作数的地址，即多次间址;主存字
第一位为0时，表示取得的是操作数的地址。
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(一次间接寻址需两次访存，多次间接寻址需根据存储字的最高位确定访存次数)。

（五）寄存器寻址

寄存器寻址是指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所指的寄存器内，如图4.6所示。

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优点：指令在执行阶段不访问主存，只访问寄存器，因寄存器数量较少，对应地址码长度较小，使得指令字短且因不用访存，所以执行速度快，支持向量/矩阵运算;

缺点：寄存器价格昂贵，计算机中的寄存器个数有限。

（六）寄存器间接寻址
寄存器间接寻址是指在寄存器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，即EA= (R)，如图4.7所示。

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寄存器间接寻址的特点是，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(因为操作数在主存中)。

（七）相对寻址

PC的内容加上形式地址A而形成操作数的有效地址 即EA=(PC)+A

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例子：问题:随着代码越写越多，你想挪动for循环的位置
相对寻址:EA=(PC)+A，其中A是相对于PC所指地址的位移量，可正可负，补码表示
优点:这段代码在程序内浮动时不用更改跳转指令的地址码

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优点：操作数的地址不固定，它随着PC值的变化而变化，并且与指令地址之间相差一个固定值，便于程序浮动（一段代码在程序内部的浮动），广泛应用于转移指令

（八）基址寻址

将CPU中基址寄存器(BR)的内容+形式地址A而形成有效地址 即EA=(BR)+A，访存次数一次。

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例子：拓展:程序运行前，CPU将BR的值修改为该程序的起始地址(存在操作系统PCB中)

采用基址寻址无需修改指令中的地址码

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优点：可扩大寻址范围，用户不用考虑自己的程序存于主存的哪个空间区域，有利于多道程序的设计，可用于编制浮动程序
缺点：形式地址A （偏移量）较短

（九）变址寻址

EA=(IX)+A IX为变址寄存器（专用），也可以用通用寄存器作为变址寄存器

变址寄存器面向用户（作为偏移量），形式地址A不变（作为基地址）
主要用于处理数组问题

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例子：在数组处理过程中，可设定A为数组的首地址，不断改变变址寄存器IX的内容，便可很容易形成数组中任一数据的地址，特别适合编制循环程序。

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优点：可扩大寻址范围，适合编制循环程序，偏移量的位数足以表示整个存储空间

（十）堆栈寻址
堆栈是存储器（或专用寄存器组）中一块特定的、按后进先出原则管理的存储区，该存储区中被读/写单元的地址是一个特点的寄存器给出的，该寄存器称为堆栈指针(SP)

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软堆栈：

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总结：

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posted @ 2022-07-07 08:01  huilinmumu  阅读(1827)  评论(0)    收藏  举报