指令系统

重点题型

• 操作码编码方案（特别是扩展操作码编码）5.9
• 结合地址码的情况，分析扩展操作码的可行性和指令数量的变化情况 5.10，5.12
• 数据存储<大端，小端> 5.14 注意可能会结合后面寻址结果
• 依据基本寻址方式，分析新的寻址方式（主要是寻址方式的名称，最后的寻址结果）
• 设计指令格式
• 根据指令功能，设计某一具体指令

术语

• 指令：控制计算机硬件完成指定基本操作的命令
• 指令系统：指令集合
• 指令字长：指令的位数
• 操作码：指定指令要完成的功能
• 地址码（操作数）：提供该指令的操作对象
• 寻址方式：指令获取操作数的方式
• CISC：复杂指令系统
• RISC：精简指令系统

指令系统概述

• 指令系统是从程序设计者看到的机器的主要属性，是软、硬件的主要界面
• 指令系统的设计主要包括指令功能和指令格式的设计。

指令系统结构层定义

• 存储模式
  • 数据存储顺序
    • 大端存储【字符打印】
    • 小端存储【算术运算】
    • 例题
    

    
    

  • 边界对齐
    • 按字节编址， 边界对齐
  • 堆栈
    • 管理堆栈<堆栈指针，堆栈基址，堆栈界限>
  • 冯·诺依曼结构和哈佛结构
    • 优缺点分析【主存空间利用，数据操作对指令的破坏性，】
  • 加载/存储体系结构
    • Load，Store指令
• 寄存器组织
  • 软件设计者唯一能操作的CPU内部资源
• 数据类型
• I/O模式
  • 统一编址
  • 独立编址
• 指令类型
  • 程序控制类
    • 转移指令<无条件转移指令, 条件转移指令>
    • 循环控制指令
    • 过程调用和返回指令
    • 程序自中断指令

指令设计

• 指令格式<操作码，操作数>
• 指令长度
  • $指令长度 = 操作码+地址码（注意按字节向上取整）$

• 地址码设计

  源操作数

  目的操作数

  下条指令地址

  

  
  

  

  
  

• 操作码设计
  • 定长操作码
  • 变长操作码
    • 霍夫曼编码

    • 扩展操作码（为充分利用操指令的二进制位）

      

      
      

寻址方式

• 基本寻址方式

📢 寻址方式在指令中的体现：由操作码决定（隐含寻址），操作数中设置寻址方式字段（显式寻址）

隐含寻址	解释
立即寻址
寄存器寻址	寄存器编号
直接寻址	操作数地址
间接寻址	操作数地址的地址→操作数地址
寄存器间接寻址	寄存器编号→操作数地址
相对寻址	地址偏移 (+PC)
基址寻址	基址寄存器寻址位+地址偏移
变址寻址	变址寄存器寻址位+地址偏移
堆栈寻址

• RISC-V 和 x86 寻址方式

RISC-V	x86
立即寻址	立即寻址
寄存器寻址	寄存器寻址
基址寻址	主存储器寻址
相对寻址

• 例题

  

  
  

指令系统结构的发展

• CISC 复杂指令系统计算机
  • 指令系统复杂庞大
  • 指令长度不固定，指令格式种类多，寻址方式种类多
  • 可以访存的指令不受限制
  • 控制器大多数采用微程序控制
• RISC 精简指令系统计算机
  • 指令系统简单
  • 采用Load/Store结构
  • 重视提高流水线的执行效率
  • 强调优化编译技术的作用

指令系统实例

• RISC-V 指令系统
• Intel CPU 指令系统
  • Intel 64 和 IA-32
  • IA-32e
  • Intel AVX
• MIPS 指令系统