一、指令格式
指令：操作码字段 地址码字段
指令字（简称指令）：表示一条指令的机器字。
指令格式：是指令自用二进制代码表示的结构形式，由操作码字段和地址码字段组成。
操作码字段：表征指令的操作特性与功能 （指令的唯一标识） 不同的指令操作码不能相同
地址码字段：指定参与操作的操作数的地址码
二、操作码分类
操作码可以分为固定长度的代码和可变长度的代码
1、固定长度的代码
多有指令操作码的长度相等
例如：某计算机共有64条指令，采用固定长度操作码，需要6位编码，从000000~111111 2的6次方为64
优点:编码方法简单，便于指令的译码
确定：不方便指令系统中增加新的指令（扩展不方便）
2、可变长度的代码
不等长的指令操作码可以减小操作码的平均长度，提高指令编码的效率，从指令的扩展性来看，也希望操作码长度可变。
例如：设某台计算机有100条指令，要求：
1）采用固定长度操作码编码，请设计其操作码编码
2）假设这100条指令中有10条指令的使用改了达到90%。其余90条指令的使用概率达到10%，请采用不定长编码设计一种操作码编码的方案，并求出操作码的平均长度（常用指令用短编码 不常用指令用长编码）
答、1）采用固定长度操作码编码，需要7位操作码，取其中100个代码作为操作码 0000000~1100011之间的代码代表100条指令（长度为7）
其余的1100100~1111111共28个代码可用于增加新的操作码
2）采用不固定长度的操作码编码，可以用4位代码对10条指令进行编码，用8位代码对90条指令进行编码
0000~1001对应10条常用的指令，从未使用的1010~1111的代码后面扩展4位
10100000~10101111 16个
10110000~10111111 16个
11000000~11001111 16个
11010000~11011111 16个
11100000~11101111 16个
11110000~11111001 10个
已上的1010 ，0000~1111,1001之间的90个代码表示其余90条指令
指令操作码的平均长度为：
4*90%+8*10%=4.4 小于等长编码的7位
剩余的编码11111010~1111111（6个）可用于操作码长度的进一步的扩展
例：设有一台简单计算机的指令系统共有10条指令，各指令的使用频率如下：
11 20% 12 12% 13 11% 14 15% 15 8% 16 3% 17 2% 18 18% 19 10% 110 1%
1）用霍夫曼编码设计这10条指令的操作码，并计算操作码的平均长度
2）设计只有2中长度，且平均长度不大于3.20位的等长扩展操作码，并计算操作码的平均长度
答：1）霍夫曼树为
霍夫曼编码结果如：（左支代表0 右支代表1 从最后边0.20开始霍夫曼编码如下）
11 011 010 001 101 100 0001 00001 000001 000000
平均长度：3.03 =2*0.2+3*-.18+3*0.15+....
2)一种设计方案是取3位和4位两种长度，如000 001 010 011 100 101 1100 1101 1110 1111
平均长度为3.14
3位可以表示8种编码，我们选取7个来表示三位编码，还剩4个需要扩展 也就是需要2位
另一种设计方案是选择3和5两种长度，如：000 001 010 011 100 101 110 11100 11101 11110
平均长度为3.12
选取3位表示7个 然后固定前3位为111 扩展2位 2的2次方就是4>3 也满足
三、地址码
指令中指定操作数存储位置的字段称为地址码，地址码中可以包含存储器地址。也可包含寄存器编号。
指令中可以有一个、两个或者三个操作数，也可没有操作数，根据一条指令有几个操作数地址，可将指令分为零地址指令。一地址指令、二地址指令、三地址指令。4个地址码的指令很少被使用。
| 操作码字段 | 地址码 | |||
| 操作码 | A1 | A2 | A3 | 三指令地址 |
| 操作码 | A1 | A2 | 二指令地址 | |
| 操作码 | A1 | 一指令地址 | ||
| 操作码 | 零指令地址 | |||
零地址指令：只有操作码，没有地址码（空操作 停止等）
一地址指令：指令编码中只有一个地址码，指出了参加操作的一个操作数的存储位置，如果还有另一个操作数则隐含在累加器中
eg: INC AL
INC [S1]
二地址指令：指令编码中有两个地址，分别指出了参加操作的两个操作数的存储位置，结果存储在其中一个地址中
（op a1,a2:a1 op a2 a1）
eg: MOV AL ,BL
ADD AL,30
三地址指令：指令编码中有3个地址码，指出了参加操作的两个操作数的存储位置和一个结果的地址
（op a1,a2,a3: a1 op a2 a3）
二地址指令格式中，从操作数的物理位置来说有可归为三种类型
寄存器-寄存器（RR）型指令：需要多个通用寄存器或个别专用寄存器，从寄存器中取操作数，把操作结果放入另一个寄存器，机器执行寄存器-寄存器型的指令非常快，不需要访存。
寄存器-存储器（RS）型指令：执行此类指令时，既要访问内存单元，又要访问寄存器。
存储器-存储器（SS）型指令：操作时都是涉及内存单元，参与操作的数都是放在内存里，从内存某单元中取操作数，操作结果存放至内存另一单元中，因此机器执行指令需要多次访问内存。
四、指令字
指令字长度：一个指令字中包含二进制代码的位数，其长度应该与计算机的数据字长相匹配，以简化指令访存的操作，一般指令字长为计算机字长的整数倍。
机器字长：计算机能直接处理的二进制数据的位数，他决定了计算机的运算精度。指令字长等于机器字长称为单字长指令。
指令字长等于两个机器字长指令称为双字长指令，三字长以上指令较少使用。
使用多字长指令，目的在于提供足够的地址位来解决访问内存任何单元的寻址问题。
缺点：是必须两次或多次访问内存以取出一整条指令，降低了CPU的运算速度，又占用了更多的存储空间。
五、操作码的设计
操作码的设计应当与地址码的设计相匹配，以形成高效合理的指令编码。
如指令长度固定的情况下，地址码数量较多的指令可以安排较短的操作码，地址码数量较少的指令中可以安排较长的操作码。
例、某计算机要求如下形式的指令：三地址指令4条，单地址指令254条，0地址指令16条，设指令字长12位每个地址码3位，设计其编码。
答：3地址指令 3位操作码 9位地址码
1地址指令 9位操作码 3位地址码
0地址指令12位操作码
先设计3地址操作码用000~011这4个编码作为3地址指令操作码
单地址指令地址码是3位，操作码最多可以9位，前3位用了4个还剩4个
一地址指令中操作码可扩展9位 2的6次方64个
100 xxx xxx 1地址的64条 （100 000 000~100 111 111）
101 xxx xxx 1地址的64条（101 000 000~101 111 111）
110 xxx xxx 1地址的64条 （110 000 000~110 111 111）
111 xxx xxx 1地址的62条 （111 000 000~111 111 111）
剩余为111111110 0地址的8个
111111111 0地址的8个
例：计算机指令长度为20位，有2地址指令，1地址指令，0地址指令。地址码长度为6位，问若操作码字段固定长度为8位，先设计出m条2地址指令，n条0地址指令，此时改计算机最多可以有多少条1地址指令。
答：
操作码（20-12=8位） 地址码 8位 地址码8位
因为操作码字段固定长度为8位，1地址指令为m条，0地址指令为n条，最多可以设计出1地址指令为2的8次方-m-n条
例：某16位计算机指令格式如下所示，其中OP为操作码，试分析指令格式的特点
| 15 | 14 | 13 | 12 | 11 | 10 | 9 | 8 | 7 | 6 | 5 | 4 | 3 | 2 | 1 | 0 |
| OP | 源寄存器 | 目标寄存器 | |||||||||||||
答：单字长二地址指令
操作码字段op可以指定128条指令（2的7次方）
源寄存器和目标寄存器都是通用寄存区（可分别指定16个通用寄存器）所以是RR型指令，两个操作数均在寄存器中
例：16位机指令格式如下。op为操作码字段，试分析指令格式特点
| 15 | 14 | 13 | 12 | 11 | 10 | 9 | 8 | 7 | 6 | 5 | 4 | 3 | 2 | 1 | 0 |
| OP | 源寄存器 | 变址寄存器 | |||||||||||||
| 位移量（16位） | |||||||||||||||
答：双字长（指令32位 机器16位）二地址指令，用于访问存储器
操作码字段op为6位，可以指定64种操作
一个操作数在源寄存区（16个），另一个操作数在存储器中（由变址寄存器和位移量决定）所以是RS行指令。
