4.1 指令格式

指令是指示计算机执行某种操作的命令， 是计算机运行的最小功能单位。

一台计算机的所有指令的集合构成该机的指令系统，也称为指令集。

4.1.1 指令的基本格式

指令是一段有意义的二进制码，包括两个部分：操作码字段和地址码字段。

操作码：指令要进行什么操作，具有何种功能

地址码：被操作信息的地址

1、按照地址码数量分类

（1）零地址指令

• 不需要操作数，如空操作、停机、关中断等指令

• 堆栈计算机，两个操作数隐含存放在栈顶和次栈顶，计算结果压回栈顶

（2）一地址指令

• 只需要单操作数，如加1、减1、取反、求补等

指令含义：$\text{OP}(A_{1})\to A_{1}$

完成一 条指令需要3次访存：取指→读A1→写A1

• 需要两个操作数，但其中一个操作数隐含在某个寄存器（如隐含在ACC）

指令含义：$(ACC)\text{OP}(A_{1})\to ACC$

完成一条指令需要2次访存：取指→读A1

A1指某个主存地址

(A1)表示A1所指向的地址中的内容

（3）二地址指令

需要两个操作数的算术运算、逻辑运算相关指令

指令含义：$(A_{1})\text{OP}(A_{2})\to A_{1}$

完成一条指令需要访存4次：取指→读A1→读A2→写A1

(4)三地址指令

需要两个操作数的算术运算、逻辑运算相关指令

指令含义：$(A_{1})\text{OP}(A_{2})\to A_{3}$

完成一条指令需要访存4次：取指→读A1→读A2→写A3

（5）四地址指令

与三地址指令相同，A4中存放下一条要执行的指令的地址。

一般来说，程序执行完毕后，会将PC（程序计数器）+1

而四地址指令会将PC的值置为A4

2、按照指令长度分类

指令字长：一条指令的总长度（可能会变）

机器字长：CPU进行一次整数运算所能处理的二进制数据的位数（通常和ALU直接相关）

存储字长：一个存储单元中的二进制代码位数（通常和MDR位数相同）

半字长指令、单字长指令、双字长指令：指令长度是机器字长的多少倍。指令长度影响取指令的时间。

定长指令字结构：指令系统中所有指令的长度都相等

变长指令字结构：指令系统中各种指令的长度不等

3、按照操作码长度分类

定长操作码：指令系统中所有指令的操作码长度都相同

• 译码电路设计简单

• 灵活性较差

可变长操作码：指令系统中各指令的操作码长度可变

• 译码电路设计复杂

• 灵活性高

4、按照操作类型分类

（1）数据传送类

进行主存与CPU之间的数据传送

• LOAD：把存储器（源）中的数据放到寄存器（目标）中

• STORE：把寄存器（源）中的数据放到存储器（目标）中

（2）运算类

• 算数逻辑运算

  • 算术：加、减、乘、除、增1、减1、求补、浮点运算、十进制运算

  • 逻辑：与、或、非、异或、位操作、位测试、位清除、位求反

• 移位操作

  • 算术移位、逻辑移位、循环移位（带进位和不带进位）

（3）程序控制类

改变程序执行的顺序

• 无条件转移：JMP

• 条件转移

  • JZ：结果为0

  • JO：结果溢出

  • JC：结果有进位

• 调用和返回：CALL和RETURN

• 陷阱(Trap)与陷阱指令

（4）输入输出操作

CPU寄存器与I/O端口之间的数据传送（端口即I/O接口中的寄存器）

4.1.2 扩展操作码指令格式

扩展操作码指令格式采用定长指令字结构+可变长操作码结构

n位操作码代表指令系统最大能够表达$2^{n}$条指令

扩展操作码举例

设指令字长为16位，每个地址码占4位

• 用全部为1标识地址数量，因此实际可用指令数量为$2^{n}-1$
• 地址长度为n，上一层留下m种状态，则协议层可以扩展出$m\times2^n$种状态

例：指令字长为16位，设计一套有15条三地址指令、12条二地址指令、62条一地址指令、32条零地址指令的指令系统。

• 地址长度：16bit/4=4bit

• 三地址指令

  • 16-3*4 = 4bit 操作码

  • $2^4-15=1$，剩余1111
• 二地址指令

  • 头部必须为1111，16 - 4 - 2*4 = 4bit

  • $2^4-12=4$，剩余1100、1101、1110、1111，头两位全部为11
• 一地址指令

  • 头部必须为1111 11，16 - 6 - 4 = 6bit

  • $2^6 - 62 = 1$，剩余111110
• 零地址指令

  • 头部必须为1111 1111 111，16 - 11 = 5bit

  • $2^5 -32=0$，分配完毕

• 优点

  • 在指令字长有限的情况下保证了比较丰富的指令种类

• 缺点

  • 增加了指令译码和分析的难度

  • 使控制器设计复杂