計算機組成原理_第四章_指令系統

1.指令：又稱機器指令：

1.是指計算機執行某種操作的命令，
2.是計算機運行的最小功能單位。
​3.一台計算機的所有指令的集合構成該機的指令系統，也稱為指令集

指令是由**操作碼**和**地址碼**構成
操作碼：指明做什么
地址碼：指明對誰動手

注：1.有的指令不需要地址碼（例：停機指令等）
2.一台計算機只能執行自己指令系統中的指令，不能執行其他系統的指令
換句話說：因為不同設備之間的指令集可能不同，例：手機和電腦之間的指令集不同，因此有的軟件只能在電腦上運行，有的軟件只能在手機上運行

2.指令有很多種格式，也就是有很多種分類方式

1.根據地址碼的數目進行分類
2.根據指令長度進行分類
3.根據操作碼的長度進行分類
4.根據操作類型進行分類

2.1根據地址碼的數目進行分類

1.零地址指令：只有一個操作碼（op），沒有地址碼
常用於：
1.不需要操作數，如空操作，停機，關中斷等指令
2.堆棧計算機，兩個操作數隱含存放在棧頂和次棧頂，計算結果壓回棧頂，（例如：計算機實現后綴表達式時）

2.一地址指令：一個操作碼（op），一個地址碼（A1（放結果））
常用於：
1.只需要單操作數，（如：加一，減一，取反，求補等）
指令含義：op(A1)->A1
將A1地址中的數據執行op操作后再放回A1中
完成一條指令需要3次訪存：取出整條指令->讀取A1中的數據->將結果寫回A1中
2.需要兩個操作數，但其中一個操作數隱含在某個寄存器中（如：隱含在ACC加法器中數進行加法指令）
指令含義：（ACC）op (A1) -> A1
將A1地址中的數據和ACC中的數據執行op操作后再放回A1中
完成一條指令需要3次訪存：取出整條指令->讀取A1中的數據->將結果寫回A1中

3.二地址指令：一個操作碼（op），兩個地址碼（A1（放結果），A2）（一定放回A1中而不是A2中）
常用於：1.需要兩個操作數的算數運算，邏輯運算的相關指令
指令含義：（A1）op(A2)->A1
將A1地址中的數據和A2中的數據執行op操作后再放回A1中
完成一條指令需要4次訪存：取出整條指令->讀取A1中的數據->讀取A2中的數據->將結果寫回A1中

4.三地址指令：一個操作碼（op），兩個地址碼（A1，A2，A3（放結果））（與二地址指令類似）
常用於：1.需要兩個操作數的算數運算，邏輯運算的相關指令
指令含義：（A1）op(A2)->A3
將A1地址中的數據和A2中的數據執行op操作后再放回A3中
完成一條指令需要4次訪存：取出整條指令->讀取A1中的數據->讀取A2中的數據->將結果寫回A3中

5.四地址指令：一個操作碼（op），兩個地址碼（A1，A2，A3(放結果)，A4(下一個指令的地址)）
常用於：1.需要兩個操作數的算數運算，邏輯運算的相關指令
指令含義：（A1）op(A2)->A3
將A1地址中的數據和A2中的數據執行op操作后再放回A3中，執行A4地址指向的指令
A4放的是：下一條將要執行指令的地址
完成一條指令需要4次訪存：取出整條指令->讀取A1中的數據->讀取A2中的數據->將結果寫回A3中

**注意：**
​ 1.正常情況下：取出指令后，PC所指向的地址自動加"1"，指向下一條指令，開始執行
​ 2.四地址指令：執行指令后，將PC的值修改為A4所指向的地址
​ 3.n位地址碼的直接尋址范圍為2的n次方
​ 4.若指令總長度固定不變，則地址碼數量越多，尋址能力越差

2.2根據指令的長度進行分類

（定長操作碼/可變長操作碼）

1.預備知識：
​ 指令字長：一條指令的長度
​ 機器字長：CPU進行一次整數運算所能處理的二進制數據的位數（通常與ALU直接相關）
​ 存儲字長：一個存儲單元中的二進制位數（通常與MDR位數相同）

2.常見指令字長：（指令長度通常是機器字長的整數倍）半字長指令，單字長指令，雙字長指令
​ 注意：指令字長會影響取指令所需的時間
​ 如：機器字長=存儲字長=16bit時，則取出一條雙字長指令需要進行兩次訪存

3.1定長指令字結構：指令系統中所有指令的長度都相等
3.2變長指令字結構：指令系統中指令的長度可變的
3.3定長操作碼：指令系統中所有指令的操作碼的長度都相等
n位操作碼位數->2的n次方條指令
注意（優缺點）：控制器的譯碼電路設計簡單，但靈活性較低

3.4可變長度操作碼：指令系統中各種指令的操作碼的長度可變
注意（優缺點）：控制器的譯碼電路設計復雜，但靈活性較高

3.5定長指令字結構+可變長操作碼-->擴展操作碼指令格式
擴展操作碼指令格式：不同的地址數目不同的指令使用不同長度的操作碼

2.3根據指令的長度進行分類

1.數據傳送類
**（數據傳送類：進行主存與CPU之間的數據傳送）**
​ LOAD 作用：把存儲器中的數據放到寄存器中
​ STOPE 作用：把寄存器中的數據放到存儲器中

2.算術邏輯操作
**（運算類）**
​ 算術運算：加，減，乘，除，增1，減1，求補，浮點運算，十進制運算
​ 邏輯運算：與，或，非，異或，位操作，位測試，位清除，位求反

3.移位操作
**（運算類）**
​ 算數移位，邏輯移位，循環移位（帶進位，不帶進位）

4.轉移操作（相當於改變指令流）（相當於改變PC的值）
**（程序控制類：改變程序指行的順序）**
​ 無條件轉移 JMP
​ 條件轉移 （相當於if else語句）JZ：結果為0 JO:結果溢出 JC:結果有進位
​ 調用和返回 CALL（goto）和RETURN（return）
​ 陷阱（TRAP）與陷阱指令

5.輸入輸出操作
**（輸入輸出類：進行CPU和IO設備之間的數據傳輸）**
​ CPU寄存器與IO端口之間的數據傳送（端口即為IO接口中的寄存器）

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