4.1 指令系统

前言

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指令系统是控制器部分的内容。

控制器和运算器组成了CPU。

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指令集体系结构（ISA）

  • ISA是软件和硬件之间接口的完整定义，包含了：基本数据类型，指令集，寄存器，寻址模式，储存体系，中断和异常处理及外部I/O

  • 一台计算机所有的指令的集合构成该机的指令系统，由叫指令集。

  • 一台计算机只能执行自己指令系统的指令，不能执行其他系统的指令。eg PC的x86架构，手机的ARM架构

==指令的基本格式==

  • 操作码+地址码

  • 操作码 ：给出指令/操作

  • 地址码 ：对谁操作/操作对象（给出被操作数据/指令的地址）

  • 指令字长 – 指令长度

    • 单字长指令，双字长指令（存取需两次访存），半字长指令（指令长度=半个机器字长）

指令分类

==**A. ** 按地址码数目（需要几个操作数）不同：==

  • 零地址指令

    • 只有操作码OP
    • when：
      • 不需要操作码的指令（空操作/停机指令…
      • 用在堆栈中的运算类指令。

  • 一地址指令

    • when:

      • OP(A₁)→A₁【只需要一个操作数，eg加1，求反…】（3次访存，取指，读A1，写A1）
      • (ACC)OP(A₁)→ACC【两个操作数，但隐含另一个操作数由ACC累加器提供】（2次访存，取指，读A1）
      • 【A₁表示主存地址，(A₁)表示A₁所指向的地址的内容】

  • 二地址指令

    • when:
      • (A₁)OP(A₂)→A₁【用于需要两个操作数的指令】（完成一条指令需要 4 次访存）

  • 三地址指令

    • when：
      • (A₁)OP(A₂)→A₃（完成一条指令需要 4 次访存）

  • 四地址指令

    • when：
      • (A₁)OP(A₂)→A₃，A₄=下一条将执行指令的地址 （执行指令后，PC不是简单地+1，而是转到A₄所指的地址）
    • 若指令字长32位，操作码占8位，4个地址码字段各占6位。
    • 则每个操作数的直接寻址范围为2^6=64。若地址码均为主存地址，则完成一条四地址指令需要4次访存（取指令1，取两个操作数2，存结果1）

==B. 按指令长度==

  • 定长指令字结构：指令系统中所有指令的长度都相等
  • 变长指令字结构

==C. 按操作码长度==

  • 定长操作码：n位操作码字段的指令系统最大能够表示2^n条指令

  • 可变长度操作码

  • （留图）

==D. 按功能分类==

  • 数据传送
    • LOAD 把存储器中的数据放到寄存器中
    • STORE 把寄存器中的数据放到存储器中
  • 算术和逻辑运算
    • 算术：加减乘除，自增，求补..
    • 逻辑：与或非异或…
  • 移位操作：算术移位，逻辑移位，循环移位。
  • 转移操作：无条件转移（JMP），有条件转移，调用（CALL），返回（RET)，陷阱（Trap）…
  • 输出输入操作

扩展操作码

==B+C→扩展操作码==

  • 定长指令字结构+可变长操作码！

  • 指令长度不变，操作码长度 由地址码↓而↑

  • 优点：丰富指令种类

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attention：

  • 不允许短码是长码的前缀
  • 各指令的操作码一定不能重复

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