指令系统——指令格式

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首先我们再回忆一下现代计算机的结构

搞错了，再来！

现代计算机的结构

这次就开搞控制器！

学会指令系统就可以更精进之前搞的典型过程了：https://yangyongli.blog.csdn.net/article/details/116792581

指令格式

指令的定义

指令（又称机器指令）：是指示计算机执行某种操作的命令，是计算机运行的最小功能单位。

一台计算机的所有指令的集合构成该机的指令系统，也称为指令集。

注：一台计算机只能执行自己指令系统中的指令，不能执行其他系统的指令。

例如：x86 架构、ARM架构之间不能互相执行对方架构系统的指令。

指令格式

一条指令就是机器语言的一个语句，它是一组有意义的二进制代码。

一条指令通常要包括操作码字段和地址码字段两部分（如下图所示）：

操作码就是要表达用户要干什么？
比如：停机中断、求反求补、加减乘除……

地址码就是要说明对谁进行操作？
比如：不需要操作对象、需要一个操作对象、需要两个操作对象……

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其中 一条指令可能包含 0个、1个、2个、3个、4个 地址码…

根据地址码数目不同，可以将指令分为 零地址指令、一地址指令、二地址指令…

零地址指令

1. 不需要操作数，如空操作、停机、关中断等指令
2. 堆栈计算机，两个操作数隐含存放在栈顶和次栈顶，计算结果压回栈顶

一地址指令

1. 只需要单操作数，如加1、减1、取反、求补等
   指令含义：OP(A1)→A1 ，完成一条指令需要3次访存：取指→ 读A1 →写A1
2. 需要两个操作数，但其中一个操作数隐含在某个寄存器（如隐含在ACC）
   指令含义： (ACC)OP(A1)→ACC，完成一条指令需要2次访存：取指→ 读A1

注：A1 指某个主存地址， (A1)表示 A1 所指向的地址中的内容

二、三地址指令

常用于需要两个操作数的算术运算、逻辑运算相关指令

指令含义：(A1)OP(A2)→A1
完成一条指令需要访存4次，取指→读A1→读A2→写A1

常用于需要两个操作数的算术运算、逻辑运算相关指令

指令含义：(A1)OP(A2)→A3
完成一条指令需要访存4次，取指→ 读A1→读A2 →写A3

四地址指令

指令含义：(A1)OP(A2)→A3，A4=下一条将要执行指令的地址

完成一条指令需要访存4次，取指 →读A1 →读A2 →写A3

正常情况下：取指令之后 PC+1，指向下一条指令
四地址指令：执行指令后，将PC的值修改位 A4 所指地址

小杨同学表示：事真多！

地址码的位数有什么影响？

n位地址码的直接寻址范围=2ⁿ，若指令总长度固定不变，则地
址码数量越多，寻址能力越差

分类

指令-按地址码数目分类

指令-按指令长度分类

可以分为：半字长指令、单字长指令、双字长指令 ——指令长度是机器字长的多少倍

指令字长：一条指令的总长度（可能会变）
机器字长：CPU进行一次整数运算所能处理的二进制数据的位数（通常和ALU直接相关）
存储字长：一个存储单元中的二进制代码位数（通常和MDR位数相同）

指令字长会影响取指令所需时间。如：机器字长=存储字长=16bit，则取一条双字长指令需要两次访存

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：指令系统中各种指令的长度不等

指令-按操作码长度分类

1. 定长操作码：指令系统中所有指令的操作码长度都相同（n位 → 2ⁿ条指令）
   ——控制器的译码电路设计简单，但灵活性较低
2. 可变长操作码：指令系统中各指令的操作码长度可变
   ——控制器的译码电路设计复杂， 但灵活性较高
3. 扩展操作码指令格式：定长指令字结构+可变长操作码

指令—按操作类型分类

1. 数据传送（数据传送类：进行主存与CPU之间的数据传送）
   LOAD 作用：把存储器（源）中的数据放到寄存器（目的）中
   STORE 作用：把寄存器（源）中的数据放到存储器（目的）中

2. 算术逻辑操作
   算术：加、减、乘、除、增 1、减 1、求补、浮点运算、十进制运算
   逻辑：与、或、非、异或、位操作、位测试、位清除、位求反

3. 移位操作
   算术移位、逻辑移位、循环移位(带进位和不带进位)

4. 转移操作（程序控制类：改变程序执行的顺序）
   无条件转移 JMP
   条件转移 JZ：结果为0；JO：结果溢出；JC：结果有进位
   调用和返回 CALL和RETURN
   陷阱(Trap)与陷阱指令

5. 输入输出操作（输入输出类（I/O）：进行CPU和I/O设备之间的数据传送）
   CPU寄存器与IO端口之间的数据传送(端口即IO接口中的寄存器)

小结