指令系统基础概念

指令系统基础概念

1. 指令格式

指令的基本结构

指令组成：

• 操作码：指定操作类型
• 地址码：指定操作数地址
• 指令长度：固定长度或可变长度

指令字段：

• 操作码字段：编码操作类型
• 地址字段：编码操作数地址
• 控制字段：编码控制信息

定长操作码指令格式

基本特点：

• 操作码长度固定
• 便于硬件译码
• 指令长度统一

格式示例：

[操作码(8位)] [地址码1(8位)] [地址码2(8位)] [地址码3(8位)]

优势：

• 译码简单：硬件实现简单
• 执行快速：并行处理能力强
• 控制简单：指令周期统一

劣势：

• 空间浪费：某些指令不需要所有地址码
• 灵活性差：难以适应复杂指令

扩展操作码指令格式

基本特点：

• 操作码长度可变
• 节省存储空间
• 支持复杂指令

格式示例：

[操作码(4位)] [地址码1(12位)]
[操作码(8位)] [地址码1(8位)]
[操作码(12位)] [地址码1(4位)]

优势：

• 空间效率：充分利用指令空间
• 灵活性高：支持不同复杂度的指令
• 扩展性好：便于增加新指令

劣势：

• 译码复杂：硬件实现复杂
• 执行慢：需要多级译码

2. 指令的寻址方式

基本概念

有效地址：

• 操作数实际存储位置
• 通过寻址方式计算得到
• 影响指令执行效率

寻址方式分类：

• 数据寻址：操作数地址的计算
• 指令寻址：下一条指令地址的计算

立即寻址

基本概念：

• 操作数直接包含在指令中
• 无需访问存储器
• 执行速度最快

格式：

[操作码] [立即数]

特点：

• 优点：执行速度快，无需访存
• 缺点：操作数大小受限
• 应用：常量赋值、立即数运算

直接寻址

基本概念：

• 地址码即为操作数地址
• 需要一次访存
• 地址范围受地址码位数限制

格式：

[操作码] [操作数地址]

特点：

• 优点：地址计算简单
• 缺点：地址范围受限
• 应用：访问固定地址的数据

间接寻址

基本概念：

• 地址码存放操作数地址的地址
• 需要两次访存
• 支持动态地址计算

格式：

[操作码] [间接地址]

特点：

• 优点：支持动态地址
• 缺点：需要两次访存
• 应用：指针操作、动态寻址

寄存器寻址

基本概念：

• 操作数在寄存器中
• 无需访存
• 执行速度很快

格式：

[操作码] [寄存器号]

特点：

• 优点：执行速度快
• 缺点：寄存器数量有限
• 应用：频繁访问的数据

寄存器间接寻址

基本概念：

• 寄存器存放操作数地址
• 需要一次访存
• 支持基址寻址

格式：

[操作码] [寄存器号]

特点：

• 优点：支持动态地址
• 缺点：需要访存
• 应用：数组访问、指针操作

基址寻址

基本概念：

• 有效地址 = 基址寄存器 + 地址码
• 支持程序重定位
• 扩大地址范围

格式：

[操作码] [基址寄存器] [偏移量]

特点：

• 优点：支持程序重定位
• 缺点：需要基址寄存器
• 应用：程序加载、地址转换

变址寻址

基本概念：

• 有效地址 = 变址寄存器 + 地址码
• 支持数组访问
• 循环控制方便

格式：

[操作码] [变址寄存器] [基地址]

特点：

• 优点：支持数组访问
• 缺点：需要变址寄存器
• 应用：数组处理、循环控制

相对寻址

基本概念：

• 有效地址 = PC + 偏移量
• 支持程序重定位
• 指令位置无关

格式：

[操作码] [偏移量]

特点：

• 优点：支持程序重定位
• 缺点：地址范围受限
• 应用：跳转指令、分支指令

3. 指令分类

按功能分类

数据传送指令：

• LOAD：从内存到寄存器
• STORE：从寄存器到内存
• MOVE：寄存器间传送
• PUSH/POP：栈操作

算术运算指令：

• ADD/SUB：加减运算
• MUL/DIV：乘除运算
• INC/DEC：自增自减
• NEG：取负

逻辑运算指令：

• AND/OR/XOR：逻辑运算
• NOT：逻辑非
• SHL/SHR：移位操作
• ROL/ROR：循环移位

控制转移指令：

• JMP：无条件跳转
• JZ/JNZ：条件跳转
• CALL/RET：子程序调用
• LOOP：循环控制

输入输出指令：

• IN：输入操作
• OUT：输出操作
• IO：输入输出控制

按操作数数量分类

零地址指令：

• 操作数隐含在指令中
• 如：NOP、HALT

一地址指令：

• 一个操作数，另一个隐含
• 如：INC、DEC、NOT

二地址指令：

• 两个操作数
• 如：ADD、SUB、MOVE

三地址指令：

• 三个操作数
• 如：ADD R1, R2, R3

按指令长度分类

单字节指令：

• 指令长度为 1 字节
• 操作简单，执行快速

双字节指令：

• 指令长度为 2 字节
• 包含操作码和地址码

多字节指令：

• 指令长度大于 2 字节
• 支持复杂操作和长地址

4. 指令系统设计

设计原则

完整性：

• 支持所有必要的操作
• 覆盖应用需求
• 便于程序开发

正交性：

• 操作码和寻址方式独立
• 减少指令数量
• 提高编码效率

对称性：

• 相似操作使用相似格式
• 便于学习和使用
• 减少设计复杂度

性能考虑

指令密度：

• 提高代码密度
• 减少存储空间
• 提高 Cache 效率

执行效率：

• 减少指令周期
• 提高并行度
• 优化关键路径

兼容性：

• 向后兼容
• 支持扩展
• 适应技术发展

练习题

练习 1

简述定长操作码和扩展操作码的区别。

练习 2

举例说明直接寻址和间接寻址的区别。