本章概念

• 指令：一系列按照某种规律有序排列的，能被CPU识别、执行的二进制代码。

• 指令系统（指令集）：一台计算机所能执行的全部指令的集合。

• 所以：指令系统是计算机软硬件之间的界面

• 地址结构：在指令中明确给出几个地址，给出哪些地址。

指令格式

指令基本格式

• 一条指令需要提供两个方面的信息：
• 操作码：与CPU操作有关的信息
• 地址码：与操作数有关的信息（因为常常给出的是操作数的地址，所以这里叫做地址码）
• 如下图：

指令字长（关于指令的长度）

• 指令的两种格式
• 定长指令格式：控制简单
• 变长指令格式：合理利用存储空间

• 改变指令字长长度
• 优点：可丰富指令功能（位数变多了可以区分不同的指令）
• 缺点：
• 占用存储空间大（因为指令变长了）
• 从主存中取指时间长（因为需要取出的位数变多了）
• 指令执行速度慢（因为解码更难了）

操作码结构（关于指令中的操作码）

• 操作码的三种格式
• 定长操作码：指令长度比较长时，操作码位置、位数固定，一般在指令的高位；
• 扩展操作码：指令长度比较短时，操作码位置、位数不固定，用扩展标志表示。

• 扩展操作码示例如下：



也就是将高位的某些操作码编码留出来用于扩展操作数更少的指令
• 方式码：操作码分为几部分，每部分表示一种操作。
如下图：



上面就是将7-15位的操作码分成几个部分了

指令中的地址结构（关于指令中的地址码）

• 指令中所需操作数的地址形式（也就是地址码的获取形式）
• 显地址：在指令中显示地给出地址码,如主存储单元号或CPU的寄存器编号（就是直接给出操作数）
• 隐地址：指令中不给出地址码,以隐含方式约定（如进行堆栈操作的时候就隐含了sp）

• 根据定义，地址结构是指令中给出几个地址，给出哪些地址，所以简化地址结构就是要少给出地址码。即简化地址结构的基本途径：尽量使用隐地址。

• 四地址指令（给出四个地址码）

• 如下图：

• 三地址指令（给出三个地址码）

• 如下图：



相较于四地址指令，三地址指令将下一条指令的地址隐式存储在PC寄存器中（也就是下条指令地址采用隐地址形式）

• 二地址指令：多数情况下（所以大部分指令都是二地址指令），两个操作数运算后至少有一个数不再使用，因而不需要保留

• 如下图：



相较于三地址指令，二地址指令将结果存放地址隐式规定为A1（也就是将运算结果存储在A1提供的地址的空间内）

• 一地址指令

• 一地址指令的表示方式
• 隐含约定目的地的双操作数指令（实际上上面的二地址指令就是隐含目的地的三地址指令，三地址指令就是隐含下条指令的四地址指令）
• 如（这里的AC就是隐含的目的操作数）：
• 只有目的操作数的单操作数指令（实际上上面的二地址指令也有可能是因为操作只需要两个操作数，三四地址指令是同样的道理，所以应该所有的指令都是应该有这两种类型的）
• 如（这个时候指令只需要一个目的操作数即可，然后将结果存回目的地址）：

• 零地址指令

• 与一地址指令相同，零地址指令也有两种表示方式：
• 单操作数指令，隐含在指定寄存器内进行操作（有操作数，但是将操作数隐含）
• 不需要操作数的指令（如NOP：空操作指令，起到延时作用，或者HLT：停机指令）

本节习题

指令寻址方式

操作数存储位置

• 寄存器
• CPU中的寄存器
• 外设接口中的寄存器（并不会在外设中，因为外设和CPU是通过接口传输数据的）

• 存储器
• 主存（包括Cache，是主存和CPU之间的高速缓冲）
• 外存

• 堆栈（这个实际上是算在前两个存储位置里面的，但是堆栈操作比较特殊就单独拿出来说）
• 主存空间（软堆栈）
• CPU中的寄存器组（硬堆栈）

寻址方式

• 立即寻址：指令中直接给出操作数，即在取出指令的同时也就取出了可以立即使用的操作数。
• 常用于提供初值
• 速度快，灵活性差（都是因为不需要访存了）

• 直接寻址类：由指令直接给出操作数地址（存储单元号或寄存器号，所以可以把寄存器号理解为一个地址，这个地址指向的就是当前的寄存器）
• （主存）直接寻址方式：操作数存放在主存单元中, 指令中给出的地址码是主存单元号（也就是给出主存地址），此时需要访存一次（因为需要访问存储器，所以速度慢；因为给出的地址码是比寄存器编号长的，所以地址的位数多）

• 如下图：



注意这里的括号就是取一次值的意思
主存直接寻址例题：



• 寄存器直接寻址方式（又简称为寄存器寻址）：操作数存放在寄存器中,指令中给出的地址码是寄存器名称/编号（寄存器的编号就相当于是寄存器的地址）。此时不需要访存，因为数是在CPU内寄存器中的（因为寄存器在CPU内部，所以速度快；因为给出的是寄存器号而不是主存地址码，所以地址位数少）
模型机内的寄存器编号如下图：



实际上也是二进制数跟十进制数的对应，其他特殊的寄存器跟在后面就好了
如下图：



括号的含义相同，下面不在赘述
寄存器寻址例题：



tips：减少指令中地址数目与减少一个地址码的位数是两个不同的概念
• 采用隐地址可以减少指令中地址的数目
• 采用寄存器型寻址（这里说的是寄存器型寻址，而不是寄存器寻址，所以是包括了寄存器间址的）可以减少指令中地址码的位数
以上两种方式均减少了指令长度。

• 间接寻址类：间接寻址类的操作数都在主存储器中（访存不可避免），寻址过程需要先得到操作数所在主存单元的地址。
• 主存间接寻址方式：指令中给出的地址码是间接地址（是主存的地址码）

• 如下图：



主存间接寻址例题如下：



• 寄存器间接寻址方式（又称为寄存器间址）：指令中给出的地址码是寄存器编号，寄存器中存放操作数地址（此时存放的就是主存地址）
如下图：



寄存器间址例题如下：



• 自增型寄存器间址方式（出栈操作，也是寄存器间址的一种）：按照寄存器间址方式获取操作数后,寄存器的值加1（当堆栈是向下增长并且是满堆栈的时候可以用作出栈操作。考试的时候如果忘记了就可以看那个加号在哪里，自增型寄存器间址加号是写在后面的，所以是取出来再增加），可以读取地址增大方向上的一片数据
如下图：



自增型寄存器间址例题如下：



• 自减型寄存器间址方式（入栈操作）：寄存器间址的又一种变型;指定的寄存器内容减1，然后按照寄存器间址方式获取操作数（同样自减型寄存器间址的减号会写在前面，所以是先减然后再进行操作），可以读取地址减小方向上的一片数据
如下图：



自减型寄存器间址例题如下：



• 堆栈寻址（实际上就是自增型和自减型寄存器间址的组合，只不过将间址寄存器隐含指定为堆栈指针寄存器SP，所以这个时候少了一个地址码，简化了指令的地址结构）：注意模型机中常用的堆栈是向下增长的满堆栈（也就是栈顶指针指向的位置是有栈内元素的）
堆栈寻址例题：

• 变址类：通过计算得到有效地址，使地址表示灵活可变
• 变址寻址：指令中一个地址码包含两个信息：形式地址D，变址寄存器Rx（此时寄存器中给出的是地址的偏移量，也就是给出变址）。操作数有效地址 A= D+(Rx)，根据A访问主存储器，读写操作数S。

• 如下图：



注意，形式地址是放在当前指令中的
变址寻址例题：



• 基址寻址：指令中一个地址码给出了两个信息：形式地址D，基址寄存器RB（此时寄存器中给出的是基址。记忆：是什么寻址方式，寄存器中存储的就是什么，如变址寻址中寄存器就是存储变址）。有效地址A= D+(RB)。根据A访问主存储器，读写操作数S。
如下图：



形式上跟变址寻址是一样的，都是两个地址加起来
基址寻址的例题：



• 变址寻址和基址寻址的异同：
• 相同点：有效地址计算方法相同（都是两个地址做加法得到直接地址）；在一些计算机中由相同硬件实现（加法器）。
• 不同点：
• 变址寄存器提供修改量（可变），而指令中提供基准量（固定）；基址寄存器提供基准量（固定），而指令中提供位移量（可变）。（是哪一种寻址方式，寄存器中就是存储什么信息）
• 变址寻址面向用户，用于访问数组等批量数据；而基址寻址面向系统，主要用于逻辑地址和物理地址（存储器中的实际地址）的转换
• 基址加变址方式：此时指令中给出两个寄存器，一个基址寄存器，一个变址寄存器，计算直接地址就是将基址，变址，形式地址相加
• 相对寻址（也称浮动编址）：是基址寻址的特例，PC（程序计数器）作为基址寄存器

寻址方式总结

• 以上四类寻址方式,重点弄清楚“数在哪里”(在指令中、在CPU寄存器中、在主存中？)
• 如果操作数在主存中，指令直接给出有效地址（直接寻址）还是间接给出地址(寄存器间址、存储单元间址)?
• 如何通过计算使地址量可变 (形式地址与变址寄存器内容加、与基址寄存器内容加、与PC内容加或拼接。拼接在MIPS32架构CPU中有提到)?

指令类型

指令分类

• 按指令格式分类（就是有几个地址码，指令是几地址的）：双操作数指令、单操作数指令等

• 按操作数寻址方式分类（R是寄存器，S是存储器，I是立即数）：
• RR型（寄存器—寄存器型）
• RX型（寄存器—变址型）
• RS型（寄存器—存储器型）
• SI型（存储器—立即数型）
• SS型（存储器—存储器型）

• 按指令功能分类：
• 传送指令：CPU内部、CPU与主存之间的数据转移
• 输入/输出（I/O）指令：CPU与外设，主存与外设之间的数据转移
• 运算指令(算术运算\逻辑运算指令)：与ALU有关
• 程序控制类指令：跳转等
• 处理机控制类指令等：软中断指令等

传送类指令

• 一般传送指令

• 设置传送指令时，需考虑的主要问题：
• 传送范围：即指令允许数据在什么范围内传送（寄存器到寄存器，还是存储器到存储器，还是存储器和寄存器之间）。
• 传送单位：即数据可以按字节、字（这个字就是基本字长）、双字或数组为单位进行传送
• 设置寻址方式

• 堆栈指令
• 压栈操作：将数据压入堆栈栈顶（这里说的是软堆栈），可视为存入数据到主存某一单元的一个特例
• 出栈：从堆栈栈顶弹出数据（这里说的是软堆栈），可视为读出主存某一单元中数据的一个特例

• 数据交换指令：双向数据传送，即将源操作数与目的操作数（一个字节或一个字）相互交换位置

输入/输出（I/O）指令

• 外围设备编址方式（影响io指令的形式：是单独一种指令，还是使用mov指令）
• 对外围设备单独编址（此时使用单独的IO指令）
• 单独编址到设备级：为每台外围设备分配一个设备码，在I/O指令中给出设备码，并指明是哪个寄存器
• 单独编址到寄存器级：为各I/O接口中的有关寄存器分配一种I/O端口地址（每个寄存器都有一个自己的IO端口地址），即编址到寄存器一级
• 外围设备与主存储器统一编址（此时IO指令也是使用MOV指令）：统一编址到寄存器级, 每个外围设备接口中的一个寄存器视作一个主存单元，分配一个存储单元地址（这个时候就会导致一些主存地址，或者说地址码被外设占用，就没办法访问主存的这些位置，进而导致主存的利用率比较低）

• I/O指令设置（根据外围设备不同的编址方式来进行不同的I/O指令设置）
• 设置专用的I/O指令：IN，OUT。
• 如采用设备编码方式（也就是单独编址到设备级），则I/O指令地址码部分应给出所要访问的外围设备编码，并指定所访问的寄存器
• 如果采用I/O端口地址编码方式（也就是单独编址到寄存器级），则I/O指令地址段给出端口地址（直接/间接寻址）
• 采用通用的数据传送指令MOV实现I/O操作：隐式I/O指令（这个时候IO指令使用MOV指令实现，没有显式的IN OUT，所以称为隐式IO），适合外围设备（I/O接口寄存器）与主存单元统一编址（也就是上面说的外围设备与主存储器统一编址），以相同指令（MOV）访问存储器和外设。

本章总结及习题

本章总结

• 指令、指令系统的概念（见本章概念）

• 指令的基本格式，包含操作码和地址码

• 指令地址结构及简化思想：减少地址码数量(采用隐地址)、减少指令地址码长度（采用寄存器型寻址）

• 四大类寻址方式（立即数寻址、直接寻址、间接寻址、变址类寻址）寻找操作数的过程；

• 指令类型；
• 外设编址方式：单独编址、统一编址；
• I/O指令类型：专用I/O指令，通用传送指令

本章习题