第4章 指令系统

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4.2.2 地址码
地址码用于指定操作数和存放运算结果的地址，通常称 为操作数。操作数可以是一个直接的数或者是一个数据所在的 地址，它以空格与操作码分开。根据指令功能的不同，操作数 可以有一、二、三个或没有操作数之间以逗号分开。 1.零地址指令 格式： OP
零地址指令的指令字中只有操作码，而没有地址码。
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本章要点： 指令格式 寻址方式和范围 指令系统设计 指令系统的发展
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4.1 指令系统概述
计算机能解题是由于机器本身存在一种语言， 它既能理解人得意图，又能被机器自身识别。机器 语言是由一条条语句构成的，每一条语句又能准确 表达某种语义。例如它可以命令机器做某种操作， 指出参与操作的数或其它信息在什么地方等等。计 算机就是连续执行每一条机器指令而实现全自动工 作的。人们习惯把每一条机器语言的语句叫机器指 令，而又将全部机器指令的集合叫做机器的指令系 统。因此机器的指令系统集中反映了机器的功能， 是计算机系统中软件与硬件的分界面，如图4-1所示。 就目前来看，无论多么复杂、功能多么强大的软件， 凡是能够在机器上直接运行的目标程序都是由一系 列机器指令组成的。
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2）跳跃寻址 当程序转移执行的顺序时，指令的寻址就采取 跳跃寻址方式。所谓跳跃，是指下条指令的地址码 不是由程序计数器给出，而是由本条指令给出。程 序跳跃后，按新的指令地址开始顺序执行。指令计 数器的内容也必须相应改变，以便及时跟踪新的指 令地址。采用指令跳跃寻址方式，可以实现程序转 移或构成循环程序，从而能缩短程序长度，或将某 些程序作为公共程序引用。指令系统中的各种条件 转移或无条件转移指令，就是为了实现指令的跳跃 寻址而设置的。
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4.2.3 操作码的扩展技术 通常在指令字中用一个固定长度的字段来表示 基本操作码（固定长度操作码），而对一部分不需 要某个地址码的指令，把它们的操作码扩充到该地 址字段，这样既能充分利用指令字中的各个字段， 又能在不增加指令长度的情况下扩展操作的长度， 使它能表示更多的指令（可变长度操作码）。
16条零地址指令
１１１１ １１１１ １１１１ １１１１
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Байду номын сангаас19
例2：某计算机指令长度为32位，有3种指令：双操 作数指令、单操作数指令、无操作数指令。今采用扩展 操作码方式来设计指令，假设操作数地址为12位，己知 有双操作数指令K条，单操作数指令L条，问无操作数指 令有多少条? 解：由于采用扩展操作码方式设计指令，所以对一 部分不需要操作数的指令可以将指令操作码扩展到操作 数字段。在不增加指令长度的情况下，能充分利用指令 的各个字段扩展操作码的长度，使它可以表示更多的指 令。在本题中，由于指令总长度为32位，操作数地址为 12位，则： 对于双操作数指令，操作码长度为(32-12×2)=8位； 对于单操作数指令，操作码长度为(32-12)=20位； 对于无操作数指令，操作码长度为32位。
第4章 指令系统
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计算机系统主要由硬件（Hardware）和软件 （Software）两部分组成。所谓硬件就是指构成计算机的 电子、机械、光学的元件或装置，它们是看得见，摸得着得 实体。软件则是为便于用户使用计算机而编写的各种程序， 它实际上是由一系列机器指令组成。一台计算机中全部指令 的集合称为这台计算机的指令系统，它是软、硬件设计的分 界面。 计算机性能与它所设置的指令系统有很大的关系，指 令系统反映了计算机的主要属性，而指令系统的设置又与机 器的硬件结构密切相关。指令是计算机执行某种操作的命令， 而指令系统是一台计算机中所有机器指令的集合。通常性能 较好的计算机都设置有功能齐全、通用性强、指令丰富的指 令系统，而指令功能的实现需要复杂的硬件结构来支持。
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由于双操作数指令有K条，而双操作指令最多 有28条，所以保留有(28-K)个编码用于扩展到单操 作数指令。 单操作数指令有L条，而单操作指令最多有(28K)× 212条，所以保留有[(28-K)× 212-L]个编码用于 扩展到无操作数指令。 根据以上分析，无操作数指令条数为 [(28-K)× 212-L]× 212
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计算机是通过执行指令来处理各种数据的。为了 指出数据的来源、操作结果的去向及所执行的操作， 一条指令必须包含下列信息： （1）操作码。它具体说明了操作的性质及功能。 一台计算机可能有几十条至几百条指令，每一条指令 都有一个相应的操作码，计算机通过识别该操作码来 完成不同的操作。 （2）操作数的地址。CPU通过该地址就可以取 得所需的操作数。 （3）操作结果的存储地址。把对操作数的处理 所产生的结果保存到该地址中，以便再次使用。
“停机”、“空操作”、“清除”等控制类指令。
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2.一地址指令 格式： OP
A
一地址指令常称为单操作数指令。通常这种指令以运 算器中累加寄存器AC中的数据为被操作数，指令字的地址 码字段所指明的数为操作数，操作结果又放回累加寄存器 AC中。 (AC) OP (A) -> AC OP表示操作性质；（AC）表示累加寄存器AC中的数； （A）表示内存中地址为A的存储单元中的数或运算器中地 址为A的通用寄存器中的数； →表示把操作（运算）结果传 送到指定的地方。
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4.3.2 数据的寻址方式
形成操作数的有效地址的方法，称为操作数的寻址 方式。 例如，一种单地址指令的结构如下所示，其中用X， I，D各字段组成该指令的操作数地址。 操作码OP 变址X 间址I 形式地址D 指令中操作数字段的地址码是由形式地址和寻址 方式特征位等组合形成，因此，一般来说，指令中所给 出的地址码，并不是操作数的有效地址。 因此，寻址 过程就是把操作数的形式地址，变换为操作数的有效地 址的过程。
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4.3 指令及操作数的寻址方式
4.3.1 指令的寻址方式
指令的寻址方式有2种类型： （1）顺序寻址 指令地址在内存中按顺序安排，当执行一段程序时， 通常是一条指令接一条指令的顺序执行。 从存储器取出第一条指令，然后执行这条指令；接着 从存储器取出第二条指令，在执行第二条指令；接着再取出 第三条指令……这种程序顺序执行的过程，我们称为指令的 顺序寻址方式。 为此，必须使用程序计数器（又称指令指针寄存器） PC来计数指令的顺序号，该顺序号就是指令在内存中的地 址。
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4.2 指令格式
计算机的指令格式与机器的字长、存储器的容 量及指令的功能都有很大的关系。从便于程序设计、 增加基本操作并行性、提高指令功能的角度来看， 指令中应包含多种信息。但在有些指令中，由于部 分信息可能无用，这将浪费指令所占的存储空间， 增加了访存次数，从而影响速度。因此，如何合理、 科学地设计指令格式，使指令既能给出足够的信息， 又使其长度尽可能地与机器字长相匹配，以节省存 储空间，缩短取指时间，提高机器的性能，这是指 令格式设计中的一个重要问题。
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3.二地址指令 格式： OP A1
A2
二地址指令常称为双操作数指令，它的两个地址码字段分别指明参与操 作的两个数在内存中或运算器中通用寄存器的地址，A1作存放操作结果 的地址。 (A1) OP (A2) -> A1 二地址指令格式中，从操作数的物理位置来说，又可归结为三种类型。 存储器-存储器（SS）型指令：操作时都是涉及内存单元，参与操作的 数都放在内存里，从内存某单元中取 操作数，操作结果存放至内存另一单元中，因此机器执行这种指令需要 多次访问内存。 寄存器-寄存器（RR）型指令：需要多个通用寄存器或个别专用寄存器， 从寄存器中取操作数，把操作结果 放到另一寄存器。机器执行寄存器-寄存器型指令的速度很快，因为执 行这类指令，不需要访问内存。 寄存器-存储器（RS）型指令：执行此类指令时，既要访问内存单元， 又要访问寄存器。 15 计算机组成原理
4.三地址指令 格式：
OP A1 A2 A3
三地址指令字中有三个操作数地址。 (A1) OP (A2) -> A3 A1为被操作数地址，也称源操作数地址； A2 为操作数地址，也称终点操作数地址； A3为存放 结果的地址。 同样，A1,A2,A3可以是内存中的单 元地址，也可以是运算器中通用寄存器的地址。
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，指令的基本格式如下： 操作码字段 地址码字段
其中操作码字段指明了指令的操作性质及功能，地址码则给 出了操作数或操作数的地址。
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4.2.1 操作码
操作码部分指出了计算机要执行什么性质的操作， 如进行加法、减法、取数、存数等。不同的指令，其操 作码不同，用不同的编码来表示，每一个编码表示一条 指令。计算机要为每条指令分配一个确定的操作码。例 如：操作码0001可以规定为表示加法操作；操作码 0010可以规定为表示乘法操作等等。每个操作码代表 的功能均由CPU上相应的电路来实现，因此机器就能执 行操作码所要表示的操作。操作码的长度n（即操作码 的位数）决定了指令系统中完成不同操作的指令条数， 如某机器的操作码长度为n，则不同指令的条数最多为 2n。n越大，则指令条数越多，功能越强，指令系统的 规模也就越大。
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例1：已知指令字长为16位，每个地址码为4位， 采用扩展操作码的方式，设计15条三地址指令、15 条二地址指令、15条一地址地址、16条零地址指令。 【分析】：指令字长为16位，每个地址码为4 位，则采用固定长度操作码，只有4位，最多只能 表示16条指令；但是对于二地址指令、一地址地址 和零地址指令，它们的部分地址码并没有使用，所 以可用它们来扩充操作码，这样的话，二地址指令 的操作码可扩充至8位、一地址指令的操作码可扩 充至12位、零地址指令的操作码可扩充至16位。 设计的指令如下：
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从上述分析可知，一条指令实际上包括两种信息即操作 码和地址码。操作码（Operation Code，OP）用来表示该指 令所需要完成的操作，其长度取决于指令系统中的指令条数。 地址码用来描述该指令的操作对象，它或者直接给出操作数， 或者指出操作数的存储器地址或寄存器地址（即寄存器名）。
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目前在指令操作码设计上主要采用以下两种编 码方式 1. 固定长度操作码 操作码的长度是固定的，且集中放在指令字的 一个字段中，指令的其余部分全部用于地址码。例 如IBM370机和VAX-11系列机，操作码的长度均为 8位，可表示256种不同的操作。 2. 可变长度操作码
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（4）执行程序时，大多数指令按顺序依次从主 存中取出执行，只有在遇到转移指令时，程序的执行 顺序才会改变。为了压缩指令的长度，可以用一个程 序计数器（Program Counter，PC）存放指令地址。 每执行一条指令，PC的指令地址就自动加1（设该指 令只占用一个主存单元），指出将要执行的下一条指 令地址。当遇到执行转移指令时，则用转移地址修改 PC的内容。由于使用了PC，指令中就不必明显地给 出下一条将要执行指令的地址。
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００００ ×××× ×××× ××××
15条三地址指令
１１１０ ×××× ×××× ×××× １１１１ ００００ ×××× ××××
15条二地址指令
１１１１ １１１０ ×××× ×××× １１１１ １１１１ ００００ ××××
15条一地址指令
１１１１ １１１１ １１１０ ×××× １１１１ １１１１ １１１１ ００００
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对于软件设计人员而言，则需使用这些指令编 制各种各样的系统软件和应用软件，用这些软件来 填补硬件的指令与人们习惯的使用方式之间的语义 差距。因此，可以说，指令系统是软件设计人员与 硬件设计人员之间的一个主要分界面，也是他们之 间互相沟通的一座桥梁。一方面是程序员所能看到 的机器的主要属性，另一方面表明计算机具有哪些 最基本的硬件功能，也就是说指令系统既为软件设 计者提供最低层的程序设计语言，也为硬件设计者 提供了最基本的设计依据。在计算机系统的设计过 程中，指令系统的设计是非常关键的，不但直接关 系着对程序设计的支持程度，也关系着该计算机的 硬件结构，必须由软件设计人员和硬件设计人员共 同来完成。