指令系统

指令系统的设计是计算机系统设计的核心问题，不仅与计算机的硬件结构紧密相关，而且直接关系到用户的使用需要

指令系统

• 概念
  • 指令与指令系统的概念
    • 指令
      • 微指令：微程序级的命令，它属于硬件
      • 宏指令：由若干机器指令组成的软件指令，它属于软件
      • 机器指令：介于微指令与宏指令之间，通常简称为指令，每一条指令可以完成一个独立的算术运算或逻辑运算操作
    • 指令系统
      • 表征一台计算机性能的重要因素，它的格式与功能不仅直接影响到机器的硬件结构，而且也直接影响到系统软件，影响到机器的适用范围
      • 指令系统的设计是计算机系统设计的核心问题，不仅与计算机的硬件结构紧密相关，而且直接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率地运行
    • 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
  • 指令字：表示一条指令的机器字，简称指令
  • 指令格式：用二进制代码表示指令的结构形式
  • 指令长度
    • 一个指令字包含的二进制代码位数
    • 字长与机器字长有关：单字长、双字长、半字长 指令字越长，地址码长度越长，可直接寻址空间越大 ·指令字越长，占用空间越大，取指令越慢
    • 定长指令：结构简单，控制线路简单，如MIPS指令
    • 变长指令：结构灵活，充分利用指令长度，控制复杂， 如X86指令
  • 操作码
    • 每条指令对应一个操作码
    • 定长操作码：长度和位置都相对固定
    • 变长操作码：操作码长度和位置都不固定，通常 采用扩展操作码技术实现
  • 扩展操作码
    • 4种指令操作码部分不得重叠，否则无法区分、译码
    • 假设三操作数指令数为k,显然k<2^4
    • 2^4-k为多余状态，可用于表示其他类型指令
    • 可用于双操作数指令的条数=(2^4-k)*2^4,以此类推
• 指令和数据的寻址方式
  • 指令的寻址方式
  • 操作数的寻址方式
    • 堆栈寻址
      • 先进后出
      • 寄存器堆栈和存储器堆栈
      • 数据的存取都通过栈顶单元进行
      • 堆栈操作
• 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
  • 地址吗：根据对操作数的要求确定地址码字段的个数
  • 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
• MIPS指令系统
  • MIPS指令系统寻址方式
    • 寄存器寻址(32个32位通用寄存器
    • 变址寻址（寄存器相对寻址/基址寻址）
    • 立即数寻址(16位立即数mm)
    • PC相对寻址beq reg1,reg2,offset PC+4+16位偏移地址左移两位 字地址变字节地址
    • 伪直接寻址J addres