计算机组成原理 — 指令系统

指令系统


大家好呀!我是小笙,本章我主要分享计算机组成原理的指令系统知识,希望内容对你有所帮助!

指令系统

指令的概述

指令的格式

  • 操作码:反映机器做什么操作

    • 长度固定:将操作码集中放在指令字的一个字段内(用于指令字段较长的情况。例如: IBM370)

    • 长度可变:操作码分散在指令字的不同字段中(有效地压缩操作码的平均长度,在字长较短的微型计算机中被广泛采用。例如:PDP-11)

    • 扩展操作码技术:操作码的位数随地址数的减少而增加

  • 地址码:地址码用来指出该指令的源操作数的地址(一个或两个)、结果的地址以及下一条指令的地址

    分类:四地址指令、三地址指令、二地址指令、一地址指令、零地址指令

指令的字长取决于

  • 操作码的长度
  • 操作数地址的长度
  • 操作数地址的个数

指令字长可以分为固定和可变:固定的时候,指令字长 = 存储字长 ; 可变的时候,按字节的整数倍数变化

操作数类型和操作种类

操作数的类型

  • 地址:无符号整数
  • 数字:定点数、浮点数、十进制数
  • 字符:ASCII
  • 逻辑数:逻辑运算

数据在存储器中的存放方式

  • 不对准边界(从任意位置开始访问)

    优点:不浪费存储资源

    缺点:除了访问每个字节之外,访问其他任何类型的数据都可能花费两个存储周期的时间;读写控制比较复杂

  • 对准边界(从一个存储字的起始位置开始访问)

    优点:无论访问任何类型的数据,在一个周期均可完成;读写控制简单

    缺点:浪费了宝贵的存储资源

  • 边界对转方式(从地址的整数倍位置开始访问)

    数据存放的起始位置是数据长度的整数倍(前面两种方式的折中方案)

操作类型

  • 数据传送:数据传送包括寄存器与寄存器、寄存器与存储单元、存储单元与存储单元之间的传送
  • 算术逻辑操作:算术运算和逻辑运算
  • 移位操作:分为算术移位、逻辑移位和循环移位
  • 转移:跳转、无条件/条件转移等
  • 输入输出:从外设中的寄存器读入一个数据到 CPU 的寄存器内,或将数据从 CPU 的寄存器输出至某外设的寄存器中

寻址方式

寻址方式:确定本条指令的数据地址以及下一条将要执行的指令地址的方法

寻址方式分为指令寻址和数据寻址两大类

指令寻址

  • 顺序寻址可通过程序计数器PC加1,自动形成下一条指令的地址
  • 跳跃寻址则通过转移类指令实现

数据寻址

指令的地址码字段通常都不代表操作数的真实地址

  • 形式地址:指令中的地址(可以理解为逻辑地址)
  • 有效地址:操作数的真实地址

以下寻址方式建立在 指令字长 = 存储字长 = 机器字长


立即寻址

操作数本身设在指令字内,即形式地址 A 不是操作数的地址,而是操作数本身,又称之为立即数(数据是采用补码形式存放的)

优点:只要取出指令,便可立即获得操作数,这种指令在执行阶段不必再访问存储器

缺点:显然 A 的位数限制了这类指令所能表述的立即数的范围


直接寻址

EA = A 有效地址由形式地址直接给出

优点:寻找操作数比较简单,也不需要专门计算操作数的地址,在指令执行阶段对主存只访问一次

缺点:A 的位数限制了操作数的寻址范围,而且必须修改A的值,才能修改操作数的地址


隐含寻址

指令字中不明显地给出操作数的地址,其操作数的地址隐含在操作码或某个寄存器中

由于隐含寻址在指令字中少了一个地址,因此,这种寻址方式的指令有利于缩短指令字长


间接寻址

倘若指令字中的形式地址不直接指出操作数的地址,而是指出操作数有效地址所在的存储单元地址,也就是说,有效地址是由形式地址间接提供的,即为间接寻址,即EA=(A)

优点:它扩大了操作数的寻址范围以及便于编程

缺点:在于指令的执行阶段需要访存两次(一次间接寻址)或多次(多次间接寻址),致使指令执行时间延长


寄存器寻址

在寄存器寻址的指令字中,地址码字段直接指出了寄存器的编号,即EA=Ri

优点

  • 操作数不在主存中,故寄存器寻址在指令执行阶段,无须访存,减少了执行时间
  • 地址字段只需指明寄存器编号(计算机中寄存器数有限),故指令字较短,节省了存储空间

寄存器间接寻址

Ri 中的内容不是操作数,而是操作数所在主存单元的地址号,即有效地址EA=(Ri)(有效地址不是存放在存储单元中,而是存放在寄存器中)


基址寻址

基址寻址需设有基址寄存器 BR,其操作数的有效地址EA等于指令字中的形式地址与基址寄存器中的内容(称为基地址)相加,即 EA = A + (BR)

  • 隐式:计算机内部专门设置一个基址寄存器 BR,使用时用户不必明显指出该基址寄存器
  • 显式:一组通用的寄存器里,由用户来明确指出哪个寄存器用作基址寄存器

优点

  • 基址寻址可以扩大操作数的寻址范围
  • 基址寻址在多道程序中极为有用
  • 用户也不可以修改基址寄存器的内容,确保系统安全可靠地运行

变址寻址

变址寻址与基址寻址极为相似。其有效地址EA等于指令字中的形式地址A与变址寄存器 X的内容相加之和,即 EA = A +(IX)

变址寻址主要用于处理数组问题,在数组处理过程中,可设定A为数组的首地址,不断改变变址寄存器X的内容,便可很容易形成数组中任一数据的地址,特别适合编制循环程序

优点

  • 只要变址寄存器位数足够,也可扩大操作数的寻址范围
  • IX 的内容由用户给定
  • 在程序执行过程中 IX 内容可变,形式地址A是不可变的
  • 便于处理数组问题

堆栈寻址

堆栈分为硬堆栈(多个寄存器)、软堆栈(指定的存储空间)

堆栈寻址就其本质也可视为寄存器间接寻址,因SP可视为寄存器,它存放着操作数的有效地址

RISC 和 CISC 技术

RISC 即精简指令系统计算机

主要特征:

  • 选用使用频率较高的一些简单指令;复杂指令的功能由简单指令来组合实现
  • 指令长度固定、指令格式种类少、寻址方式少
  • 只有 LOAD/STORE 指令访存
  • CPU 中有多个通用寄存器
  • 采用流水技术,一个时钟周期内完成一条指令
  • 采用组合逻辑实现控制器

CISC 即复杂指令系统计算机

主要特征:

  • 系统指令复杂庞大,各种指令使用频度相差大
  • 指令长度不固定、指令格式种类多、寻址方式多
  • 访存指令不受限制
  • CPU 中设有专有寄存器
  • 大多数指令需要多个时钟周期执行完毕
  • 采用微程序控制器

RISC 和 CISC 的比较

CISC RISC
指令系统 复杂,庞大 简单,精简
指令数目 大于200条 小于100条
指令字长 不固定 定长
可访存指令 不加限制 只有Load/Store指令
控制方式 绝大多数为微程序 绝大多数用组合逻辑
通用寄存器数量 较少
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