搞定！计算机组成原理第四章指令系统全解析（四）- 指令格式详解

1.0、指令的定义

指令：又称为机器指令，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。注：一台计算机只能执行自己指令系统中的指令，不能执行其他系统的指令。例如电脑上运行的有些软件不能直接在手机上运行。

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，一条指令通常要包括操作码字段和地址码字段两部分：

操作码指明了用户想要让CPU干什么，地址码指 明了这个操作要对谁进行。

• 像停机中断指令是不需要地址码的
• 加减乘除指令是需要两个地址码的

一条指令可能包含0个、1个、2个、3个、4个地址码，根据地址码数目不同，可以将指令分为零地址指令、一地址指令、二地址指令…

1.1、指令根据地址码数目分类

1.1.1、零地址指令

零地址指令：只需要操作码，不需要地址码。使用情况有以下两种：

1. 不需要操作数的操作，如空操作、停机、关中断等指令
2. 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

1.1.2、一地址指令

一地址指令：需要一个地址码。使用情况有以下两种：

1. 要进行的操作只需要单操作数，如加1、减1、取反、求补码等操作

   • 指令含义：OP(A₁)->A₁，将A₁地址的内容读取，执行OP操作，然后将结果放入原地址A₁
   • 执行上述指令需要3次访存：1. 取一地址指令 2. 读A₁地址的内容 3.将结果写回地址A₁

2. 要进行的操作需要两个操作数，其中一个地址码显式的显示，另一个操作数隐含在某个寄存器(如隐含在ACC)

   • 指令含义：(ACC)OP(A₁)->ACC，把ACC累加寄存器存放的数据和A₁地址的数据执行OP操作，然后将结果放入ACC累加寄存器当中
   • 执行上述指令需要2次访存：1. 取一地址指令 2. 读A₁地址的内容
   • 因为ACC本来就在内存中

1.1.3、二地址指令

常用于需要两个操作数的算术运算、逻辑运算相关指令

指令含义：(A₁)OP(A₂)->A₁ ，将A₁地址和A₂地址的内容读出，执行OP操作后，将结果放入A₁地址。【结果放入目的操作数】

完成上述指令需要访存4次：1. 取二地址指令 2. 读A₁地址 3. 读A₂地址 4. 将结果写入A₁地址

1.1.4、三地址指令

常用于需要两个操作数的算术运算、逻辑运算相关指令

指令含义：(A₁)OP(A₂)->A₃ ，将A₁地址和A₂地址的内容读出，执行OP操作后，将结果放入A₃地址。

完成上述指令需要访存4次：1. 取三地址指令 2. 读A₁地址 3. 读A₂地址 4. 将结果写入A₃地址

1.1.5、四地址指令

完成四地址指令需要访存4次：1. 取四地址指令 2. 读A₁地址 3. 读A₂地址 4. 将结果写入A₃地址

我们之前说过，CPU在每一次取一条指令之后都会让程序计数器PC+1，让它不断的指向下一条指令，而对于四地址指令来说，执行完这一条指令之后，我们会把程序计数器PC的值修改为A₄所指向的地址，A₄指明的就是下一条要执行指令的地址。

1.1.6、地址码的位数

地址码是指明了某一个主存单元的地址，如果地址码有n位，那么就可以指明2ⁿ个主存单元，所以地址码的位数越长，对应地址码的寻址能力也会越强。

若我们规定指令的总长度规定不变，则地址码数量越多(也就是每一个地址码的位数越短)，因此寻址能力就会越差。

n位地址码的直接寻址范围 = 2ⁿ

1.1.7、总结

1.2、指令根据指令长度分类

我们之前学过机器字长和存储字长：

• 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：一个存储单元中二进制代码位数(通常和MDR位数相同)

• 指令字长：一条指令的总长度(可能会变)

机器字长和CPU有关，一般是固定不变的，而存储字长和主存有关，一般也是固定不变的，但是指令字长是有可能发生改变的，

我们会见到半字长指令、单字长指令、双字长指令，这个意思指的是指令长度是机器字长的多少倍，指令字长会直接影响我们取指令所需要的时间，例如一台计算机的机器字长和存储字长都是16bit，这也就意味着我们每次从主存中读或者写的字节数是16bit，在这种条件下，若我们要取一条双字节指令(也就是16×2=32bit)需要进行两次访存。

有的计算机指令系统中的指令长度有差异，可分为如下两种：

• 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

1.3、指令根据操作码长度分类

指令由操作码和若干个地址码组成，而操作码有可能是不同的，可分为：

1. 定长操作码：指令系统中所有指令的操作码长度都相同
   • n位操作码，可以支持 2ⁿ 条指令
   • 控制器的译码电路设计简单，但是灵活性较低
2. 可变长操作码：指令系统中各指令的操作码长度可变
   • 控制器的译码电路设计更复杂，但是灵活性较高

操作码的位数可以反映这个系统当中最多可以支持多少条指令，对于定长操作码来说，如果它的操作码固定是n位，那么就意味着这个系统最多只能支持2ⁿ条指令。

1.4、指令根据操作类型分类

操作类型如下：

1. 数据传送【数据传送类：进行主存与CPU之间的数据传送】

   • LOAD 作用：把存储器中的数据放到寄存器中
   • STORE 作用：把寄存器中的数据放到存储器中

2. 算术逻辑操作【运算类】

   • 算术运算：加、减、乘、除、增1、减1、求补、浮点运算、十进制运算
   • 逻辑运算：与、或、非、异或、位操作、位测试、位清除、位求反

3. 移位操作【运算类】

   • 算术移位、逻辑移位、循环移位(带进位和不带进位)

4. 转移操作【程序控制类：改变程序执行的顺序】

   • 无条件转移指令 JMP 【涉及到汇编了】
   • 条件转移指令 JZ：结果为0；JO：结果溢出；JC：结果有进位
   • 函数调用CALL 和 函数返回RETURN
   • 陷阱(Trap)与陷阱指令

5. 输入输出操作【输入输出类（I/O）：进行CPU和I/O设备之间的数据传送】

   • CPU寄存器与IO端口之间的数据传送(端口即IO接口中的寄存器)