7-指令系统
README】
1.本文總結自bilibili《計算機組成原理（哈工大劉宏偉）》的視頻講解，非常棒，墻裂推薦；
機器指令：
- CPU能夠識別并且執行的操作命令；有可以理解為不同cpu，在生產時預設了一組或一簇指令；
指令集：
- cpu能夠執行的所有機器指令的集合；指令集也是軟硬件的交界面；
- 軟件通過指令系統告訴硬件做什么操作；硬件通過指令系統執行操作并返回操作結果；
【1】機器指令
?指令字長： 一條指令的長度有多少位
【1.1】指令的一般格式
| 操作碼字段 | 地址碼字段 |
【1.1.1】操作碼
操作碼： 指出機器做什么操作？此外還有些操作碼指出機器應該對什么類型的數據進行操作；
長度固定： 為了譯碼方便，譯碼器電路簡單；
3）擴展操作碼技術
3.1）為了支持操作碼的長度可變，我們要采用擴展操作碼技術來擴展操作碼長度；
- OP：操作碼部分；
- A1，A2，A3：地址碼；
假設操作碼和地址碼都是4位；所以指令集最多15條指令； 無法滿足計算機進行復雜操作的需求；
3.2）總結：
- 三地址指令：4位操作碼，無標識，其中 15~12位是操作碼；指令集最多15條指令；
- 二地址指令：8位操作碼，最高位4個1為標識，其中 11~8位是操作碼；指令集最多15條指令；
- 一地址指令：12位操作碼，最高位8個1為標識，其中7~4操作碼；指令集最多15條指令；
- 零地址指令：16位操作碼，最高位12個1為標識，其中3~0是操作碼；指令集最多15條指令；
三地址指令操作碼，每減少一種最多可多構成 2^4 種二地址指令；
如三地址指令的高4位是 1110，而不是1111；就可以多產生2^4種二地址指令；
3.3）問題1：哪些指令用長操作碼，哪些用短操作碼指令呢？
- 高頻使用的指令，用短操作碼；
- 低頻使用的指令，用長操作碼；
【1.1.2】地址碼
地址碼指的是內存地址；
1）四地址指令：
- 它的尋址范圍是2^6=64；內存尋址范圍太小了，只能尋址到64個內存單元；
那如何增加指令尋址范圍？
- 移除A4地址：A4存儲了下一條指令地址； 而下一條指令地址存儲在PC寄存器中，而不是當前指令中；這樣就形成了三地址指令；
2）三地址的指令：
- 它的尋址范圍是 2^8=256；照樣很小；繼續改進；
3）二地址指令：
- 移除A3地址碼，用A1或A2存儲計算結果；所以地址碼就只有2個；尋址范圍為 2^12=4k個存內存單元； 還是很小 ；
4）一地址指令
- 用ACC累加寄存器代替A1或A2；所以移除A2，指令中可以只保留一個數的地址；另一個操作數保存在ACC寄存器；
- 尋址范圍：2^24=16M； 尋址范圍大大增加 ；
- （ACC可以使用隱含尋址的方式）
5）零地址：無地址碼；
- 如，計算ACC中的操作數是否等于0 ；
- 如，add指令計算棧頂的兩個操作數的和，并將和保存在棧頂；就不需要地址碼；
【1.2】 指令字長
操作碼：
- 指出機器做什么操作？此外還有些操作碼指出機器應該對什么類型的數據進行操作；
長度固定：
- 為了譯碼方便，譯碼器電路簡單；
【小結】指令操作碼與地址碼
1）用一些硬件資源代替指令字中的地址碼：
- 如ACC累加寄存器（隱含尋址）存儲操作數，這樣指令中就可以只存儲一個操作數的地址；而無需存儲兩個操作數的地址；
2）當指令的地址字段為寄存器時；
- 三地址， OP R1 R2 R3 ； R1 R2 R3地址指的是寄存器的地址； 這樣就直接訪問寄存器，而不是訪問內存；
【2】操作數類型和操作種類
操作數：指的是指令要處理的數據；
操作數的類型：內存地址，或數字，或字符，或邏輯數；
1）數據在存儲器中的兩種存放方式：
- 大端方式：（內存字地址就是數據高字節所在地址）數據高字節放在內存高地址，數據低字節放在內存低地址；
- 小端方式：（內存字地址就是數據低字節所在地址）數據低字節放在高地址，高字節放在低地址；
2）字節編址
2.1）方法1：從任意位置開始存儲；
存儲字長64位（8字節）：
- 內存的數據位（MDR寄存器）是64位，每次訪存可以存取64bit的數據；
機器字長32位（4字節）：
- 寄存器的空間是32位，每次只能傳輸4字節數據；
| 機器字長：CPU一次能處理數據的位數，通常與CPU的寄存器位數有關。 存儲字長：存儲器中一個存儲單元(存儲地址)所存儲的二進制代碼的位數，即cpu中的MDR（數據寄存器）的位數。 指令字長：計算機指令字的位數。 數據字長：計算機數據存儲所占用的位數。 上述定義的字長都必須是字節的整數倍； |
?上述缺點有1個例子：一個數據跨了2個存儲字進行存儲；比如各占半個；這個時候就需要2個訪存，每次取半個存儲字；
2.2）方法2：從一個存儲字的起始位置（每個存儲字或機器字占4字節）開始訪問；
缺點：
- 浪費存儲空間；
問題：有沒有一種方式可以減少存儲空間浪費，又可以保證任何一種類型的數據（小于存儲字長）在一個存取周期當中，都可以進行訪問？
2.3）方法3：邊界對準方式（從內存地址的整數倍位置開始訪問） ；
以機器字長32位=4個字節為例；
?數據存放的起始地址是數據長度（如8位或16位）的整數倍
【2.3】 操作類型
?
?
?
【3】 尋址方式
參見 指令尋址方式與數據尋址方式_PacosonSWJTU的博客-CSDN博客
?
【4】 指令格式舉例
指令集舉例：
【4.1】IBM360 CPU的指令格式
IBM360 有5種指令格式：
- 第1種地址格式，RR格式：二地址，即2個寄存器參加操作，結果保存在1個寄存器中；操作碼的長度是8位； 指令長度16位；
- 第2種地址格式， RX格式： 二地址，即寄存器與存儲器，其中R1是寄存器，X是變址寄存器，B是基址寄存器，D是偏移地址；采用基址+變址的方式進行尋址；
- 第3種地址格式，RS格式：三地址，即寄存器與存儲器間的操作；如寄存器和內存間進行成組的數據傳送，如把寄存器R1到R3（包括R1 R3）的數據成組的傳送到內存中；內存的起始地址采用基址尋址的方式來做； B是基址寄存器，D是偏移地址；
- 第4種地址格式，SI格式：二地址，即立即數與內存操作數進行操作；
- 第5種地址格式，SS格式：二地址，即內存操作數與內存操作數進行操作；如內存中進行數據傳輸； B1，D1分別是源地址基址和偏移量；B2，D2是目的地址基址和偏移量；含義是把起始地址為B1+D1，長度為L的內存塊數據轉存到以B2+D2為起始地址的內存塊中；
補充：
- S=Storage=內存；
- R=Resiter=寄存器；
- X=變址寄存器；
- B=基址寄存器；
- D=偏移量；
【4.2】Intel 8086 CPU的指令格式
?
【5】RISC技術
RISC： 精簡指令集計算機；
CISC： 復雜指令集計算機；
RISC技術作用： 把20%的高頻簡單指令組合形成80%的低頻指令；
?
操作碼都是寄存器對內存的傳輸；
?
?
?
總結
- 上一篇： 5-输入输出系统IO
- 下一篇： win7精简_低配电脑的福音：这款小众系