计算机体系结构（二）——指令系统

痛定思痛。 2024-02-19 21:04 66阅读 0赞

**目录**

一、指令系统结构的分类

二、寻址方式

1、寄存器寻址

2、立即数寻址

3、偏移寻址

4、索引寻址

5、直接寻址或绝对寻址

6、存储器间接寻址

三、CISC指令集和RISC指令集

1、CISC指令集弊端

2、RISC指令集优势

3、总结

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## 一、指令系统结构的分类 ##

计算机指令为二进制格式，一般使用字节的物理存储空间组织方式。

指令的组成：操作码+操作数

![20190720113227558.png][]

（1）指令的操作由操作码编码表示

（2）操作数是一些存储单元的地址，每条指令所需要的操作数为0-3个不等

下图是表达式Z=X+Y在4种类型指令系统结构上的代码：

![20190720113944189.png][]

**堆栈：**两条PUSH指令把加数和被加数送到栈顶，因为堆栈默认从栈顶取值，所以ADD没有必要指明取数地址。最后POP把累加结果进行存储

**累加器：**其中一个加数放在累加器，所以add只要指明被加数，然后STORE把累加结果返回累加器。

> 堆栈型和累加器型计算机的**优点**是指令字比较短，程序所占用的空间比较小。
> 
> 但是他们的**缺点**却难以克服：
> 
> 堆栈型不能随机的访问堆栈，难以生成有效代码，而且对栈顶的访问是个瓶颈。
> 
> 累加器型，由于只有一个中间结果暂存器（累加器），所以需要频繁的访问存储器，性能比较低。

> **寄存器-存储器**和**寄存器-寄存器**型的区别是**ADD指令能不能访问存储器**，因为寄存器-寄存器型计算机是不能直接访问存储器的，所以它的加数和被加数都需要提前放到寄存器中（两条Load指令），**指令数**量要比寄存器-存储器型计算机多。

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## 二、寻址方式 ##

**寻址方式**：指指令系统中产生要访问数据地址的方法。

对于存储器操作数来说，由寻址方式确定的存储器地址称为有效地址。

对操作数的操作首先是需要获取操作数的地址，然后才能对操作数进行读和写，因此寻址加速，就是要缩短有效地址的生成时间。

> ### **1、寄存器寻址** ###
> 
> 指令实例：**ADD R1,R2**
> 
> 含义：**Regs\[R1\] <- Regs\[R1\] + Regs\[R2\]**
> 
> 把寄存器R1，寄存器R2的内容相加，保存到寄存器R1中

> ### **2、立即数寻址** ###
> 
> 指令实例：**ADD R3 ,\#6**
> 
> 含义：**Regs\[R3\] <- Regs\[R3\] + 6**
> 
> 把寄存器R3的内容和立即数6相加保存在寄存器R3中
> 
> \#6 代表立即数6；指操作数和指令绑定到一块的形式。当操作数和指令数一起被放到CPU时，程序不需要入额外的去访问寄存器和存储器，因而速度会比较快。

> ### **3、偏移寻址** ###
> 
> 指令实例：**ADD R3,120(R2)**
> 
> 含义：**Regs\[R3\]<-Regs\[R3\] + Mem\[120+Regs\[R2\]\]**
> 
> 以寄存器R2的内容作为基址，加上100的偏移量作为存储单元的地址，然后再与寄存器R3的内容相加保存到寄存器R3当中。

> ### **4、索引寻址** ###
> 
> 指令实例：**ADD R4,（R2+R3）**
> 
> 含义：**Regs\[R4\]<-Regs\[R4\]+Mem\[Regs\[R2\]+Regs\[R3\]\]**
> 
> 把R2和R3寄存器的内容相加作为存储单元的地址，然后加上寄存器R4中的内容，保存到寄存器R4中。

> ### **5、直接寻址或绝对寻址** ###
> 
> 指令实例：**ADD R4,(1010)**
> 
> 含义：**Regs\[R4\]<-Regs\[R4\]+Mem\[1010\]**
> 
> (1010)为存储单元地址，像这种直接给出存取单元地址的方式称为直接寻址

> ### 6、存储器间接寻址 ###
> 
> 指令实例：**ADD R2,@(R4)**
> 
> 含义：**Regs\[R2\]<-Regs\[R2\]+Mem\[Mem\[Regs\[R4\]\]\]**
> 
> 这种方式寻址需要访问两次寄存器，因而效率最低，速度最慢。（使用较少）

说明：除了寄存器寻址和立即寻址，其他都是存储单元取址。一般来说，涉及到Load和Store指令时，会采用存储单元取址的方式，这是因为读写数据会访问存储单元，当然现在为了提高取址速度（获取有效地址），也有采用预取址的方法（跟采用缓存的道理差不多），**注：**此说明为笔者自己理解，如有不当之处欢迎指点。

## 三、CISC指令集和RISC指令集 ##

### 1、CISC指令集弊端 ###

（1）复杂度高，不易实现，效率和性能会比较低

（2）指令功能复杂，不利于采用流水线技术

### 2、RISC指令集优势 ###

（1）指令条数少，指令功能简单

（2）采用简单而又统一的指令格式，比减少寻址方式

（3）指令的执行在单周期内完成（采用流水线技术后）

（4）采用Load-Store结构。即只有Load-Store指令才能访问存储器，其他指令的操作都是在寄存器之间进行。

（5）大多数指令都采用硬连逻辑来实现。

（6）强调优化编译器的作用，为高级语言程序生成优化代码

（7）充分利用流水线技术提高性能

### 3、总结 ###

好的指令集：硬件实现比较简单，编译生成比较快。

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