导图社区 指令系统
指令系统是计算机性能的重要因素，它的格式与功能不仅直接影响机器的硬件结构，也影响到系统软件，影响到机器的使用范围。
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指令系统
概述
指令
计算机执行某种操作的命令
微指令
微程序级的命令，属于硬件
宏指令
由若干条机器指令组成的软件指令，属于软件
机器指令
介于微指令与宏指令之间，简称位指令，每一条可以完成一个独立的算术运算或逻辑运算
一台计算机中所有的机器指令的集合
是计算机性能的重要因素，它的格式与功能不仅直接影响机器的硬件结构，也影响到系统软件，影响到机器的使用范围
是计算机系统设计的核心问题，不仅与计算机的硬件结构相关，还关系到用户的使用需要
对指令系统性能的要求
完备性
指令系统丰富，功能齐全，方便使用
有效性
利用指令系统编写的程序能够高效地运行
规整性
对称性：所有指令可以使用各种寻址方式，寄存器和存储器单元可以同等对待
匀齐性：一种操作性质的指令可以支持各种数据类型
指令格式和数据格式的一致性：指令长度和数据长度相关，以便处理和存取
兼容性
系列机各机种上基本软件可以通用，但只能做到“向上兼容”
指令格式
基本格式
操作码（OP）
位数决定指令系统的规模
定长操作码
不定长操作码
地址码（操作数）（A）
操作数的地址
结果存放的地址
下一条指令的地址
分类
零地址
空操作指令NOP,等待指令WAIT,停机指令HALT,程序返回指令RET
不需要操作数指令
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
A1¬OP(A1)
只有目的操作数的单操作数指令
隐含约定目的地址的双操作数指令
二地址
A1¬(A1)OP(A2)
RR型
源操作数和目的操作数均用寄存器存放
RS型
源操作数和目的操作数分别存储在寄存器和主存中
SS型
两个操作数均放在主存中
三地址
A3¬(A1)OP(A2)
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
操作码的长度可变，而且操作码的位置也不固定
实现
采用扩展操作码的方式来实现。即操作码的长度随地址码数目减少而增加
指令和数据的寻址方式
指令寻址方式
找到下一条要执行的指令的地址
顺序寻址
PC+1
跳跃寻址
立即寻址
相对寻址
间接寻址
操作数寻址方式
找到当前正在执行指令的数据地址
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
形式地址A就是操作数本身，无需去其他位置寻找
直接寻址
形式地址就是真实地址
形式地址是间接地址
寄存器寻址
形式地址表示寄存器的编号
寄存器间接寻址
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
EA=(PC)+A
PC：程序计数器
基于程序局部性原理
变址寻址
基址寻址
形式地址加上基址/变址寄存器的内容作为操作数地址
堆栈寻址
指令格式设计
指令编码格式
定长指令
变长指令
混合指令
操作码
根据指令规模及是否支持操作码扩展，确定操作码字段长度
地址码
根据对操作数的要求确定地址码的个数
寻址方式
设置专门的寻址方式
寻址方式与操作码一起编码
CISC和RISC
CISC:复杂指令系统计算机
指令数量多，功能复杂，字长不固定，寻址方式多
Intel X86
RISC:精简指令系统计算机
指令数量少，指令功能简单
ARM, MIPS, RISC-V
MIPS指令系统
MIPS指令格式
R型指令，I型指令，J型指令
R型指令
MIPS指令系统寻址方式
