4.1 指令系统的发展与性能要求

指令系统的发展

指令,就是要求计算机执行某种操作的命令.

从结构层次来说,指令可以分为以下三部分:

• 微指令 (第五章)
• 机器指令 (本章重点)
• 宏指令 (C语言指令)

指令系统: 一台计算机中所有机器指令的集合.

指令系统是表征一台计算机性能的重要因素，它的格式与功能不仅直接影响到机器的硬件结构，而且也直接影响到系统软件，影响到机器的适用范围。指令是设计一台计算机的硬件与低层软件的接口

计算机五级层次结构

目前主要分为：

• CISC 复杂指令集系统
  • 具有大量指令和寻址方式
  • 使用比较普遍，如Inter AMD
• RISC 精简指令集系统
  • 通道中只包含最有用的指令
  • 确保数据通道快速执行每一条指令，硬件结构设计简单
  • 超标量、超流水结构，提高并行能力

CISC是基于存储容量紧缺的背景，强调编译优化，节省存储空间。但由于指令复杂，通常CPI>5.同时指令使用不均衡、指令长度不固定等原因不适用于VLSI工艺以及流水线技术。

RISC的基本思想是减少CPI(指令执行周期), 保留最基本的、去掉复杂 使用频率不高的指令。
采用Load/Store结构，减少指令格式，统一存储器访问方式（更多的通用寄存器）。
采用硬连线控制代替微程序。

性能要求

• 完备性
  • 指令足够丰富、功能齐全、使用方便
• 有效性
  • 能够高效运行，程序占用存储空间小，执行速度快。
• 规整性
  • 包括对称性、匀齐性、指令格式和数据格式的一致性。
  • 对称性：在指令系统中所有的寄存器和存储器单元都可同等对待，所有的指令都可使用各种寻址方式。
  • 匀齐性：一种操作性质的指令可以支持各种数据类型，如算术运算指令可支持字节、字、双字整数的运算，十进制数运算和单、双精度浮点数运算等；
  • 一致性：指令长度和数据长度有一定的关系，以方便处理和存取。
• 兼容性：系列机各机种之间具有相同的基本结构和共同的基本指令集。因而指令系统是兼容的，即各机种上基本软件可以通用。

4.2 指令格式

一条指令通常由操作码字段和地址码字段构成
<!– 图片 –>
一条指令会告诉我们：

• 做什么
• 从哪取
• 存到哪

影响机器指令格式的因素：

• 机器的字长（指令的长度）
• 存储器的容量（寻址范围）
• 指令的功能（操作码）

操作码

指令的操作码OP表示该指令应该进行什么操作。
不同的编码代表了不同的指令。

n位的操作码可以表示的指令范围为 $2_n$.

地址码

根据一条指令中包含几个操作数地址，可以称为“ 几地址指令 ”：

• 零地址指令
  • 只有操作码，执行如“停机”“空操作”等指令
• 单地址指令
  • 只有一个地址码指定一个操作数，另一个操作数是隐含的。
  • 这类操作如+1 -1 取反等等
  • 功能描述：$$ (AC) \theta (A_1) \rightarrow AC $$
• 二地址指令
  • 包含两个地址码字段A1 A2
  • 两个操作数执行操作后将结果存入$A1$
  • 功能描述：$$ (A_1) \theta (A_2) \rightarrow (A_1)$$
• 三地址指令
  • 包含三个操作数地址 $A1$ $A2$ $A3$
  • 最终计算结果存入 $A3$
  • 功能描述：$$ (A_1) \theta (A_2) \rightarrow (A_3)$$

4.3 操作数类型

指令格式

• 指令字长度: 指令包含的二进制位数
• 机器字长: 计算机能直接处理的二进制数据的位数
  • 单字长
  • 半字长

多字长指令优缺点：

• 优点：地址位足够多，可以访问任何单元，减少寻址方式

• 缺点：必须要多次访问内存才能取出完整指令，降低了运算速度，占用了存储空间

• 等长指令长度相等，指令字结构简单，且指令字长度不变。

• 非等长指令可以随功能长短变化，结构灵活，能充分利用指令长度，但指令控制较为复杂。

汇编语言使用指令助记符，汇编程序会将其编译为二进制代码

4.4 指令和数据的寻址方式

操作数一般在四个地方：

• 指令中
• 寄存器中
• 存储器中
• I/O设备中

九种寻址方式

• 隐含寻址 操作数在专用寄存器，不需要给出操作数地址
• 寄存器寻址 操作数在寄存器中，给出的地址位寄存器地址
• 立即寻址 不是操作数地址，而是操作数本身
• 直接寻址 给出操作数在内存中的地址
• 间接寻址 给出一个内存地址，操作数的地址在这个内存单元中
• 寄存器间接寻址 给出一个寄存器地址，操作数地址在寄存器中
• 偏移寻址 通过一个给定的地址和一个隐含（默认）的地址或者基数组成操作数地址
  • 相对寻址 通过程序计数器（PC）加上指令中地址字段即是操作时地址
  • 基址寻址 一个专用寄存器中存放有一个存储器的地址，地址中含有关于地址字段的偏移量
  • 变址寻址
• 段寻址 一个基地址+寄存器提供的16位偏移量形成实际的20个物理地址
• 堆栈寻址 通过一个隐式或者显式的堆栈指示器，

指令格式特点

• 几地址几字长，有多少位
• 操作码（OP）分析（有多少中操作）
• 操作数分析
  例如：
  • 单子长二地址，用于访问存储器
  • OP 6位，64种操作
  • 一个操作数在（寄存器）中，一个操作数在（存储器）中
  • 该指令为（RS）型指令
  • 寻址占2位，共有4中寻址方式。