计算机原理（二）、指令系统

概述

指令系统是所有指令的集合。而指令是指计算机执行某个基本操作的集合。

设计原则

1. 完备性

2. 有效性（简单、无歧义）

3. 规整性（对齐、一致）

4. 兼容性

   向上（下）兼容：某一机器编制的程序，不加修改可以在比他高（低）档的机器里运行。

   向前（后）兼容：某一时期的程序，不加修改可以用在该时期之前（之后）的机器里运行。

指令种类

两种指令系统

CISC（复杂指令集计算机）	RISC(精简指令集计算机)

现在两种类型的指令系统逐步融合。

指令格式

操作码（一个）+地址码(可以是多个)

指令的长度：定长指令与变长指令

操作码的设计

定长操作码	扩展操作码
译码简单，有信息冗余	缩短指令长度、减少程序位数、增加指令代表的信息

一般采用扩展操作码。以下就是扩展操作码的实例。

地址码结构

指令的地址个数一般为0-3个。

寻址方式

寻址方式决定了地址码的编码。寻址方式就是找到操作数存放位置的过程。

指令寻址	操作数寻址
简单，pc自增	复杂，来源多、数据结构多样

通常指的是操作数寻址。

立即数寻址

操作数直接放在指令里。指令执行时间短，不需要访问存储。缺点是操作数大小受地址位数限制，广泛使用。

存储器直接寻址

操作数放在存储器中，指令地址字段给出存储器中的地址。

寄存器直接寻址

操作数放在寄存器中，指令地址字段给出寄存器编号。

存储器间接寻址

寄存器间接寻址

偏移寻址

直接寻址+寄存器间接寻址

堆栈寻址

对比

此外，还有复合寻址方式。

数据表示

能被计算机直接识别的数据类型。计算机的指令可以直接调用。

真值：机器数的真正值

机器数：用0和1表示的序列

数据宽度：

定点数

规定小数点的位置固定不变，就是定点数。

定点整数就是整数，定点小数就是存小数。

0的补码是一致的。

浮点数

小数点的位置是可以变的。常用科学计算法表示。

尾数和指数组成想要的实数。

规格化形式：小数点前只有一位非0数。

为了提高精度，对浮点数进行规格化。

浮点数的标准IEEE 754:

符号s：0为正，1位负

尾数f：用原码表示，尾数=1+signficand（0<signficand<1)。因为规格化尾数最高位总是1，省1位

​ 尾数精度=尾数位数+1

阶码：用移码来表示阶码。移码就是将每一个数加上一个偏移常数来表示。

​ 单精度的浮点数的偏移为：127 （阶码范围：00000001-11111110）

​ 双精度的浮点数的偏移为：1023

下面是一个例子：

对于阶码全0、全1的特殊化表示：

十进制数

十进制数的二进制编码表示有两种：ASCII码和BCD码。

ASCII码

即十进制0-9对应30H-39H。1位十进制数用8位二进制数表示。

符号位的表示：

​ 1.前分隔字符串：+号用2BH，-号用2DH。

​ 2.后嵌入数字串：即在最低位数字的ASCII码的高4位进行操作，+号不动，-号改为0111

可以看出第二种方法可以节省一个字节。

BCD码

用4位2进制数表示。

字符表示

西文字符：个数比较少，常用7位ASCII码来表示。

汉字：个数可达6万个，编码形式如下：

数据度量与存储

采用字节编址。

数据的存储有两种方式：大端方式和小端方式

存储方式不同的数据需要进行顺序交换才可以交互。

数据对齐：按边界对齐和不对齐

如果不对齐会增加访存次数，但不对齐可以节省空间。

基本指令

数据传送指令：实现寄存器之间，或者寄存器和存储单元、存储单元间的数据传送

算术运算指令：将数据传给ALU，并返回到目的地址单元中。

逻辑运算指令

输入输出指令

系统控制指令

程序控制指令：

​ 转移指令：改变CPU指令执行顺序，分为有条件和无条件转移。

​ 子程序调用指令：主程序调用子程序。

ps：子程序调用指令是有返回，可嵌套和递归的。转移指令不要求返回。

​ 转移指令是同一程序内的转移、子程序调用是程序间的转移。

​ 返回指令

MPIS指令

所有mpis指令都是32bit，按字地址（4字节）对齐。

类型

op：操作码 rs：第一个源操作数寄存器 rt：第二个源操作数寄存器 rd：结果寄存器 shamt：偏移量 funct：表示具体操作 immediate：立即数或者偏移地址 target address：无条件转移地址

寻址方法

R类型：直接寻址

I类型：立即数寻址或者基址寻址

J类型：伪直接寻址(通过高四位补PC值，低两位补零来形成32位目标地址)