计组—指令及寻址

野性酷女 2022-04-13 05:21 454阅读 0赞

**指令**

程序是由一系列指令组成的，指令是要计算机执行某种操作的命令。包括：微指令、宏指令、机器指令。

微指令：微程序级指令，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：介于微指令和宏指令之间，每条指令可完成一个独立的算术或逻辑运算

指令格式：

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指令字（简称指令）：表示一条指令的机器字。

指令格式：指令字用**二进制代码**表示的结构形式，由**操作码字段**和**地址码字段**组成

**操作码字段：指令的操作特性与功能**

**地址码字段：参与操作的操作数的地址码**

注：每条指令都有一个操作码，表示指令应该进行什么性质的操作；不同指令操作码字段编码是不一样的。

**操作码**

**操作码**可以分为**固定长度**和**可变长度**的代码。

**固定长度编码：**

即所以指令操作码长度相同。

**例：64条指令，采用固定长度操作码，则需要6位编码，2^6=64 (从000000~111111)**

优点：编码简单；缺点：不利于增加新的指令

**可变长度编码：**

即指令操作码长度不同。

优点：扩展方便（便于增加新的指令）；能够缩短指令操作码的平均长度，节约空间

缺点：编码复杂

例：对100条指令进行编码设计。

(1)采用固定长度操作码编码则需要7位操作码（2^7=128，可以多于100但是不能少于100），其中前100（0-99）个用作操作码，后28（100-127）个用于扩展；操作码的平均长度=7

(2)采用不固定长度操作码编码，其中10条指令使用概率为90%，剩余90条指令使用概率为10%；

设计方案：可以先用**4位代码对10条常用指令进行编码**（2^4=16>10，剩余6个代码用作扩展），由于剩余6个4位代码，而我们还需要对其余90个指令进行编码，那么我们可以在这剩余的6个4位代码中进行扩展；90/6=15<2^4=16，即我们需要在剩余的6个位代码中再扩展4位即可组成一个**8位**操作码即可对余下的90个指令进行编码；又因为**2^4\*6=96**。所以我们还**剩下最后6个8位编码可用于扩展**；

操作码的平均长度为：4\*90%+8\*10%=4.4

**地址码**

指令中指定操作数存储位置的字段称为地址码

指令中可以有一个、两个或者三个操作数，也可以没有操作数。根据指令有几个操作数地址，可将指令分为零地址指令（指令中没有地址码）、一地址指令、二地址指令、三地址指令。4个地址码的指令很少使用。

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二地址指令涉及到2个操作数地址，根据2个操作数地址存在的位置分为，**寄存器-寄存器类型(RR)**（即两个操作数都在寄存器，速度快），**寄存器-存储器类型(RS)**（一个数在寄存器，另一个数在存储器），**存储器-存储器类型(SS)**（两个数都在存储器中，速度慢）

**指令字**

**指令字长度：**一个指令字中包含二进制代码的位数（包含操作码和地址码），其长度应该与计算机的数据字长（机器字长）相匹配，以简化指令访存的操作。一般指令字长为机器字长的整数倍。

**机器字长**：计算机一次能直接处理的二进制数据的位数，它确定了计算机的运算精度。指令字长等于机器字长指令称为单字长指令。使用多字长指令的缺点：必须多次访问内存以取出一整条指令，降低了cpu的运算速度，又占用了更多的存储空间。

**操作码的设计原则：**

**从操作码较短的入手设计，即从短操作码入手**。

如指令长度固定的情况下，地址码数量较多（即**操作码短**）的指令中可以安排较短的操作码，地址码数量较少的指令中可以安排较长的操作码。

**指令和数据的寻址方式**

操作数或指令的**地址：**某个操作数或某条指令存放在某个存储单元时其**存储单元的编号**。

寻址方式分类：指令寻址和数据寻址

**指令寻址**：确定**下一条**欲执行指令的**指令地址**

**数据寻址**：确定**本条**指令的**操作数地址**

**指令寻址分类**：顺序寻址（pc + 1）、跳跃寻址（跳跃指令）

数据寻址方式有如下情况：

(1)**存储器寻址**：操作数在内存中，指令的操作码部分指明了操作数所在内存单元地址

(2)**寄存器寻址**：指令的地址码部分指明了操作数所在的cpu中的一个寄存器

(3)**立即数寻址方式**：指令的地址码部分就是操作数本身

**地址码分析**

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**形式地址**(**A**)：指令字中的地址

**有效地址**(**EA**)：操作数的真实地址

**指令中所给出的地址码，并不一定是操作数的有效地址。可能需要经过寻址特征将形式地址转变为有效地址。**

**寻址过程就是把操作数的形式地址，变换为操作数的有效地址的过程。**

**常见的几种寻址方式**

**(1)**.**隐含寻址：**指令中只给出来了一个操作数地址，**另一个操作数存在于累加寄存器ACC中**

特点：指令中少了一个地址字段，可缩短指令字长。

**(2)立即寻址：**指令中给出的**形式地址**不是地址而**是操作数本身**

特点：1.**指令执行阶段不访问内存（速度快）**；2.指令中形式地址的位数限制了操作数的范围

**(3)直接寻址:** **EA=A**

指令中给出的形式地址就是**操作数的有效地址**，而不需要经过转换再变为有效地址

特点：1.执行阶段访问一次内存（根据地址取出操作数）；2.形式地址的位数决定了指令操作数的寻址范围

**(4)间接寻址:EA=(A) **

指令中给出的**形式地址是操作数地址的地址；即需要根据形式地址找到内存中操作数的地址，然后根据内存中操作数的有效地址获取内存中的操作数**

特点：1.执行指令阶段2次访问内存 2.可扩大寻址范围

**(5)寄存器寻址：EA=Ri**

指令中给出的**形式地址就是有效地址**即**寄存器的编号，****操作数位于寄存器中**

特点：执行阶段不访问内存，只访问寄存器，速度快

**(6)寄存器间接寻址：EA=(Ri)**

指令中给出的**形式地址是寄存器中指定编号单元中的地址**，即**有效地址位于指定寄存器编号中的地址**，然后根据地址访存

特点：有效地址在寄存器中，**操作数在存储器中**，执行阶段访问一次内存

**(7)偏移寻址：EA=A+(R)**

有效地址是计算出来的，即有效地址(**EA**)=形式地址(**A**)+寄存器(**R**)，其中形式地址是显示存在的，另一个地址字段隐含在某个专用寄存器**R**中。

常用的三种**偏移寻址**是相对寻址、基址寻址、变址寻址。

相对寻址：**EA = A + (PC)**   （pc寄存器：当前正在执行的指令地址）

基址寻址：**EA = A + (BR)  ** （BR：基址寄存器）

变址寻址：**EA = A + (IX)**     （IX: 变址寄存器）

**形式地址A也称位移量D(相对于当前指令的位移量)**

**(8)段寻址方式：**操作数在内存中

**CISC和RISC**

**cisc**（Complex Instruction Set Computer）：复杂指令系统计算机

**risc**（Reduced Instruction Set Computer）：精简指令系统计算机

**精简指令系统**

对于cisc指令系统而言，实际使用中，经常使用的指令占指令系统的20%，其使用频度为80%。80%的指令使用频度为20%。因此产生了RISC指令系统。

RISC指令系统的特点：

(1)选取使用频率高的简单指令

(2)指令长度固定，指令格式种类少

(3)只有取数/存数指令访问存储器，其余指令的操作都在寄存器之间（速度快）

例：精简指令系统SPARC中，对于一些没有选入指令系统的指令，可以通过指令集中的另外一条指令来代替实现

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