計算機組成原理4.1指令格式

4.1.1指令的基本概念和指令的基本格式

操作碼：指明CPU進行什么操作。
地址碼：知指明CPU對誰進行操作。
PC：程序計數器，每執行一條指令會+1指向下一條指令。
指令的概念和基本格式：是指一台計算機執行某種操作的命令，一台計算機的所有指令的集合構成指令集，也叫做指令系統，位於計算機的硬件和OS層面。
不同計算機只能執行自己系統的指令，如Intel的x86架構，手機是ARM架構，因此手機App和電腦不互通。

4.1.2指令的分類

4.1.2.1按照地址碼數量分類

1）零地址指令：只給出操作碼OP，無顯式地址，有兩種情況：不需要操作數的指令，如空操作，停機，關中斷。零地址的運算類指令只用在堆棧計算機中，參與運算的兩個操作數隱含在棧頂和次棧頂。計算結果壓會棧頂，如棧運算的后綴表達式。

2）一地址指令：只有一個操作數,OP(A1) -> A1,如自加自減求反求補。或者需要兩個操作數但其中一個操作數隱含在寄存器如ACC中，(ACC)OP(A1) ->ACC。完成一條一地址指令需要訪存三次，取指令->讀A1->寫A1。

3）二地址指令：有兩個操作數，通常為算術運算和邏輯運算相關。(A1)OP(A2)->A1。完成一條一地址指令需要訪存四次，取指令->讀A1->讀A2->寫A1。

4）三地址指令：兩個操作數，通常為算術運算或者邏輯運算相關。(A1)OP(A2)->A3。完成一條一地址指令需要訪存四次，取指令->讀A1->讀A2->寫A3。

5）四地址指令：(A1)OP(A2)->A3。完成一條一地址指令需要訪存四次，取指令->讀A1->讀A2->寫A3，執行完指令后。程序計數器的值不是+1，而是指向下一條要執行的指令A4地址。

4.1.2.2按照指令長度分類

半字長指令，單字長指令，雙字長指令。這里半字長，單字長，雙字長是說指令長度是機器字長的多少倍。
有的計算機是定長指令字結構：所有指令長度都相同。
有的計算機是變長指令字結構：各種指令字長度不同

4.1.2.3按照操作碼長度分類

定長操作碼：所有指令的操作碼長度相同。容易設計但靈活性低。

可變長操作碼：各種指令的操作碼長度可變。使得控制器的譯碼器電路設計復雜，但是靈活性高。

4.1.2.4按照操作類型分類

數據傳送類型如LOAD，把存儲器的數據放到寄存器中，完成了主存和CPU之間的數據傳送；
算術邏輯操作如加減乘除等；
移位操作如邏輯移位和算術移位以及循環移位；
轉移操作如實現程序執行流如調用和返回會使得PC的數值改變；
輸入輸出操作如CPU寄存器和IO端口之間的數據傳送。
大類上，數據傳送是數據傳送類型，算術邏輯操作和移位操作是運算類操作，轉移操作是程序控制類操作，輸入輸出操作是輸入輸出類。

4.1.3定長操作碼格式

定長操作碼，指令在指令的最高位分配固定若干位表示操作碼，n位操作碼的指令最大可以表示2ⁿ位條指令，定長操作碼可以提高計算機指令譯碼和識別速度。

4.1.4可擴展操作碼指令格式

定長指令字結構+可變長操作碼 -> 擴展操作碼指令格式。
假設下列一種情況，指令字長16位，每個地址碼4位
三地址指令：
操作碼為16 - 4 * 3 = 4位，若全部用於三地址指令，則2⁴ = 16條，若還需要設計其他指令如二地址和一地址以及零地址，需要把操作碼為1111的情況留作擴展操作碼使用，則三地址指令為0000～1110間15條。

二地址指令：

操作碼為8位，情況同上，只能1111 0000 ～ 1111 1110間15條指令。計算方式同上。

一地址指令：

操作碼為12位，情況同上，只能1111 1111 0000 ～ 1111 1111 1110間15位。計算方式同上。
零地址指令：

操作碼為16位，1111 1111 1111 0000 ～ 1111 1111 1111 1111間16位。此時不再需要留出一條作為擴展操作碼使用。當然了，若指令長位32位或者更長，操作碼還可以擴展的話，那就是1111 1111 1111 0000 ～ 1111 1111 1111 1110間15位了，情況以此類推。

關於擴展操作碼格式需要注意事項：
不允許短碼是長碼的前綴，如，二地址指令的操作碼前4位是1111，三地址指令的操作碼不能是1111，否則CPU就不能識別。
各指令操作碼不能重復，否則也會使得CPU無法識別。

關於擴展操作碼，CPU識別的過程：

這里仍然使用講義截圖，使得PC先指向0，假設16位長度指令，操作碼為4位二進制，地址碼為12位二進制。CPU可以識別到第一條指令操作碼是0000，是三地址指令，CPU中程序計數器(PC)識別到該程序是取變量a到ACC中，執行完畢PC+1；
此時要執行第二條指令，假設第二條指令是二地址指令且后續還有一地址指令，那么正常情況，操作碼應該是1111 0000 ～ 1111 1110，CPU會先識別到前四位是1111，再繼續識別后面四位，如果后四位不是1111而是0000 ～ 1110，則該指令是二地址指令，如果后面四位是1111，則是一地址指令1111 1111 0000 ～ 1111 1111 1111，若第二條指令操作碼變成1110 0000，因為1110與三地址指令的操作碼相同，CPU中PC就會把第二條指令讀取到前四位1110結束，不再讀取后面操作碼，當作三地址指令去執行，然而實際上地址碼只有8位，執行會出錯。
后續指令執行的過程也相同，可以自行畫圖推理。

通常情況下，執行頻率高的指令，會分配較短的操作碼，使得譯碼器譯碼和分析時間減短；執行頻率較低的指令，會分配較長的操作碼。

講義中還附上了另一種指令設計的思路

這里的設計思路，一地址指令A1中的1100 ～ 1110與A2中的0000 ～1111對應，A1中1111與A2中0000 ～ 1101對應。零地址指令同上。

這里還有一個需要注意的公式，對於擴展操作碼，假設地址長度為n，上一層留出m種狀態，下一層可以擴展出m * 2ⁿ種狀態。

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