指令系统

数据结构第四章指令系统思维导图，包括数据传输类指令、算术运算类指令、逻辑运算类指令、移位和循环指令、控制转移类指令等内容。

chp4：指令系统

• 4.1 指令格式
  • 基本格式
    • 指令
      • 操作码
        • 定长操作码
        • 不定长操作码
      • 地址码 (操作数)
        • 需要完成的工作
          • 指出操作数的地址
          • 结果存放地址
          • 下一条指令的地址
    • 根据地址码字段的数目对指令分类
      • 零地址指令
        • 不需要操作数的指令
        • 堆栈，参与运算的操作数隐含从栈顶弹出，结果压入栈
      • 一地址指令
        • 只有目的操作数的单操作数指令
          • OP(A1)-->A1
        • 隐含约定目的地址的双操作数指令
      • 二地址指令
        • (A1)OP(A2)-->A2
        • 分类
          • RR型
            • 操作数都在寄存器
            • 速度最快
          • RS型
            • 一个操作数在存储器，一个操作数在寄存器
          • SS型
            • 操作数都在存储器
            • 速度最慢
      • 三地址指令
        • (A1)OP(A2)-->A3
      • 四地址指令
        • (A1)OP(A2)-->A3
        • A4：下一条指令地址
    • 指令一定要有操作码
    • 指令字长
      • 取决于操作码的长度
      • 一般是存储字长的整数倍
  • 定长操作码指令格式
    • 在指令的最高位部分分配固定的若干位表示操作码
    • n位操作码的指令系统，最多能表示2^n条指令
  • 不定长操作码指令格式
    • 操作码的长度不固定
    • 不同地址数的指令可以具有不同长度的操作码
    • 前提
      • 不允许短操作码是长操作码的前缀
      • 指令的操作码不能重复
    • 一般情况下，对使用频率较高的指令分配较短的操作码
• 4.2 指令的寻址方式
  • 数据寻址与指令寻址
    • 指令寻址
      • 找到下一条要执行的指令的地址
      • 两种方式
        • 顺序执行
          • (PC)+1
        • 跳转执行
          • 立即寻址
          • 相对寻址
          • 间接寻址
    • 数据寻址
      • 找到当前正在执行指令的数据地址
      • 数据寻址方式较多，通常在指令字中设置一个字段
        • 寻址特征字段
  • 常见寻址方式 （把形式地址转换为真实地址） 指令中的地址字段记为A
    • 立即寻址
      • 直接给出操作数，无需去其他位置寻找操作数
      • 一般把#放在立即数之前以标识
      • 优点
        • 无需访问存储器
      • 缺点
        • 由于位数有限，立即数的表达范围有限
      • 用途
        • 通常用于对寄存器or内存单元的赋初值
    • 直接寻址
      • 指令中存储的是操作数在存储器中的地址
      • 需要访问存储器（一次）以取得操作数
        • 注意与间接寻址区分
      • 然后将操作数送到运算器
      • 优点
        • 简单，无需变换
      • 缺点
        • 有效地址由A决定，所以寻址范围较小
      • 无条件转移指令
        • 将指令中的地址送入PC
    • 隐含寻址
      • 操作数隐含在操作码或某个寄存器中
    • 间接寻址（重点）
      • 指令中给出的A是操作数有效地址的地址
      • 需要访问存储器多次（>=2）
        • 一次间接寻址
          • 访问存储器2次
        • 多次间接寻址
          • 访问存储器n次
          • 需要使用存储字的第一位来标识间接寻址是否结束
      • 优点
        • 便于子程序返回和查表
      • 缺点
        • 需要多次访问存储器
      • 用途
        • 见chp7 I/O中断
    • 寄存器寻址
      • 与直接寻址类似
      • 地址码字段直接给出了寄存器编号R_i
      • 优点
        • 不需要访问内存
        • 减少了指令字的长度
    • 寄存器间接寻址
      • 寄存器寻址与间接寻址结合
      • 指令给出寄存器编号R_i，R_i号寄存器存储指令的有效地址，最后到主存取操作数
      • 优点
        • 便于编制循环程序
      • 缺点
        • 需要访问一次存储器（与寄存器寻址想比）
    • 基址寻址
      • 操作数的有效地址需要通过某个基础地址形成
      • 基础地址放在基址寄存器(BR)
      • EA=A+(BR)
      • 分类
        • 隐式
          • 基质放在专用基址寄存器BR中
        • 显式
          • 基质放在一组通用寄存器中，用户需要指定哪个寄存器作为机制寄存器
      • 优点
        • 扩大操作数寻址范围
        • 解决多道程序问题
    • 变址寻址
      • 与基址寻址类似
      • EA=A+(IX)
      • 变址寄存器IX是用户设定的，程序执行过程中可变
      • 指令字中的A不可变
      • 优点
        • 扩大操作数寻址范围
        • 适合处理数组问题和循环程序
          • 利用变址寄存器内容可变的性质
    • 相对寻址
      • 基址寻址、变址寻址、相对寻址 都可以看作偏移寻址
      • 基于程序局部性原理
      • EA=(PC)+A
        • PC：程序计数器
      • 用途
        • 用于转移类指令
        • 便于编制浮动程序
  • 指令的地址码字段可能的情况
    • 寄存器编号
      • 寄存器间接寻址
    • 设备端口地址
    • 存储器单元地址
      • 直接寻址
      • 间接寻址
    • 数值
      • 立即寻址
  • 操作数可能的放置位置
    • 内存单元
    • 寄存器
    • 堆栈区
    • I/O端口
    • 指令中（立即数）
  • 程序计数器PC
    • CPU从存储器读出一个字节（不一定是1B）就+1
    • 要根据主存大小和字长计算
      • log_2 (主存/字长)
• 4.3 CISC和RISC的基本概念
  • CISC
    • complex，复杂
    • 特点
      • 指令系统庞大，指令数目多
      • 指令长度不固定，格式种类多，寻址方式种类多
      • 不受限制访存
      • 指令的使用频率差距很大
      • 指令的执行时间差距很大，大多数需要多个时钟周期
      • 控制器大多采用微程序控制
      • 难以优化编译
  • RISC
    • 寄存器多
    • 指令符合８２定律
      • 即指令中占到８０％的复杂指令只有２０％的使用概率　
      • RISC使用２０％的简单指令模拟复杂指令
    • 特点
      • 指令长度固定，指令格式种类少，寻址种类少
      • 只有取数、存数指令访问存储器，其余都是在寄存器完成
      • 通用寄存器比CISC多
      • 采用流水线技术
        • 大部分指令在一个时钟周期内完成
      • 控制器采用组合逻辑控制
        • 一定
      • 采用优化编译
  • 比较
    • RISC比CISC更能提高计算机运算速度
    • RISC比CISC更便于设计
    • RISC能够有效支持高级语言程序