7-指令系统

README】

1.本文总结自bilibili《计算机组成原理（哈工大刘宏伟）》的视频讲解，非常棒，墙裂推荐；

机器指令：

CPU能够识别并且执行的操作命令；有可以理解为不同cpu，在生产时预设了一组或一簇指令；

指令集：

cpu能够执行的所有机器指令的集合；指令集也是软硬件的交界面；
软件通过指令系统告诉硬件做什么操作；硬件通过指令系统执行操作并返回操作结果；

【1】机器指令

指令字长：一条指令的长度有多少位

【1.1】指令的一般格式

操作码字段

地址码字段

【1.1.1】操作码

操作码：指出机器做什么操作？此外还有些操作码指出机器应该对什么类型的数据进行操作；
长度固定：为了译码方便，译码器电路简单；

3）扩展操作码技术

3.1）为了支持操作码的长度可变，我们要采用扩展操作码技术来扩展操作码长度；

OP：操作码部分；
A1，A2，A3：地址码；

假设操作码和地址码都是4位；所以指令集最多15条指令；无法满足计算机进行复杂操作的需求；

3.2）总结：

三地址指令：4位操作码，无标识，其中 15~12位是操作码；指令集最多15条指令；
二地址指令：8位操作码，最高位4个1为标识，其中 11~8位是操作码；指令集最多15条指令；
一地址指令：12位操作码，最高位8个1为标识，其中7~4操作码；指令集最多15条指令；
零地址指令：16位操作码，最高位12个1为标识，其中3~0是操作码；指令集最多15条指令；

三地址指令操作码，每减少一种最多可多构成 2^4 种二地址指令；
如三地址指令的高4位是 1110，而不是1111；就可以多产生2^4种二地址指令；

3.3）问题1：哪些指令用长操作码，哪些用短操作码指令呢？

高频使用的指令，用短操作码；
低频使用的指令，用长操作码；

【1.1.2】地址码

地址码指的是内存地址；

1）四地址指令：

它的寻址范围是2^6=64；内存寻址范围太小了，只能寻址到64个内存单元；

那如何增加指令寻址范围？

移除A4地址：A4存储了下一条指令地址；而下一条指令地址存储在PC寄存器中，而不是当前指令中；这样就形成了三地址指令；

2）三地址的指令：

它的寻址范围是 2^8=256；照样很小；继续改进；

3）二地址指令：

移除A3地址码，用A1或A2存储计算结果；所以地址码就只有2个；寻址范围为 2^12=4k个存内存单元；还是很小；

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个数的地址；另一个操作数保存在ACC寄存器；
寻址范围：2^24=16M；寻址范围大大增加；
（ACC可以使用隐含寻址的方式）

5）零地址：无地址码；

如，计算ACC中的操作数是否等于0 ；
如，add指令计算栈顶的两个操作数的和，并将和保存在栈顶；就不需要地址码；

【1.2】指令字长

操作码：

指出机器做什么操作？此外还有些操作码指出机器应该对什么类型的数据进行操作；

长度固定：

为了译码方便，译码器电路简单；

【小结】指令操作码与地址码

1）用一些硬件资源代替指令字中的地址码：

如ACC累加寄存器（隐含寻址）存储操作数，这样指令中就可以只存储一个操作数的地址；而无需存储两个操作数的地址；

2）当指令的地址字段为寄存器时；

三地址， OP R1 R2 R3 ； R1 R2 R3地址指的是寄存器的地址；这样就直接访问寄存器，而不是访问内存；

【2】操作数类型和操作种类

操作数：指的是指令要处理的数据；
操作数的类型：内存地址，或数字，或字符，或逻辑数；

1）数据在存储器中的两种存放方式：

大端方式：（内存字地址就是数据高字节所在地址）数据高字节放在内存高地址，数据低字节放在内存低地址；
小端方式：（内存字地址就是数据低字节所在地址）数据低字节放在高地址，高字节放在低地址；

2）字节编址

2.1）方法1：从任意位置开始存储；

存储字长64位（8字节）：

内存的数据位（MDR寄存器）是64位，每次访存可以存取64bit的数据；

机器字长32位（4字节）：

寄存器的空间是32位，每次只能传输4字节数据；

机器字长：CPU一次能处理数据的位数，通常与CPU的寄存器位数有关。

存储字长：存储器中一个存储单元(存储地址)所存储的二进制代码的位数，即cpu中的MDR（数据寄存器）的位数。

指令字长：计算机指令字的位数。

数据字长：计算机数据存储所占用的位数。

上述定义的字长都必须是字节的整数倍；

上述缺点有1个例子：一个数据跨了2个存储字进行存储；比如各占半个；这个时候就需要2个访存，每次取半个存储字；

2.2）方法2：从一个存储字的起始位置（每个存储字或机器字占4字节）开始访问；

缺点：

浪费存储空间；

问题：有没有一种方式可以减少存储空间浪费，又可以保证任何一种类型的数据（小于存储字长）在一个存取周期当中，都可以进行访问？

2.3）方法3：边界对准方式（从内存地址的整数倍位置开始访问） ；

以机器字长32位=4个字节为例；

数据存放的起始地址是数据长度（如8位或16位）的整数倍

【2.3】操作类型

【3】寻址方式

参见指令寻址方式与数据寻址方式_PacosonSWJTU的博客-CSDN博客

【4】指令格式举例

指令集举例：

【4.1】IBM360 CPU的指令格式

IBM360 有5种指令格式：

第1种地址格式，RR格式：二地址，即2个寄存器参加操作，结果保存在1个寄存器中；操作码的长度是8位；指令长度16位；
第2种地址格式， RX格式：二地址，即寄存器与存储器，其中R1是寄存器，X是变址寄存器，B是基址寄存器，D是偏移地址；采用基址+变址的方式进行寻址；
第3种地址格式，RS格式：三地址，即寄存器与存储器间的操作；如寄存器和内存间进行成组的数据传送，如把寄存器R1到R3（包括R1 R3）的数据成组的传送到内存中；内存的起始地址采用基址寻址的方式来做； B是基址寄存器，D是偏移地址；
第4种地址格式，SI格式：二地址，即立即数与内存操作数进行操作；
第5种地址格式，SS格式：二地址，即内存操作数与内存操作数进行操作；如内存中进行数据传输； B1，D1分别是源地址基址和偏移量；B2，D2是目的地址基址和偏移量；含义是把起始地址为B1+D1，长度为L的内存块数据转存到以B2+D2为起始地址的内存块中；

补充：