4.1指令系统-指令格式

原创

小旺v 2023-12-07 10:12:40 ©著作权

文章标签 计算机组成原理操作码操作数指令字 文章分类 Python 后端开发

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现代计算机的结构

4.1指令系统-指令格式_操作数

计算机的工作过程

4.1指令系统-指令格式_指令字_02

指令的定义

指令（又称机器指令）：
是指示计算机执行某种操作的命令，是计算机运行的最小功能单位。
一台计算机的所有指令的集合构成改机指令系统，也称为指令集。
注意：一台计算机只能执行自己指令系统中的指令，不能执行其他系统的指令。
x86架构、ARM架构

指令格式

一条指令是机器语言的一个语句，它是一组有意义的二进制代码

一条指令通常要包括操作码字段和地址字段两部分：

4.1指令系统-指令格式_操作码_03

一条指令可能包含0个、1个、2个、3个、4个地址码…

根据地址码数目不同，可以将指令分为零地址指令、一地址指令、二地址指令…

零地址指令 OP

不需要操作数，如空操作、停机、关中断等指令
堆栈计算机，两个操作数隐含存放在栈顶和次栈顶，计算结果压回栈顶

一地址指令 OP A1

只需要单操作数，如加1、减1、取反、求补等
指令含义：OP(A1)->A1，完成一条指令需要3次访存：取指->读A1->写A1
需要两个操作数，但其中一个操作数隐含在某个寄存器（如隐含在ACC）
指令含义：(ACC)OP(A1)->ACC 完成一条指令需要2次访存：取指->读A1

注意：A1指某个主存地址，(A1)表示A1所指向的地址中的内容
二、三地址指令
二地址指令 OP A1(目的操作数) A2(源操作数)
常用于需要两个操作数的算术运算、逻辑运算相关指令
指令含义：(A1)OP(A2)->A1
完成一条指令需要访存4次，取指->读A1->读A2->写A1
三地址指令 OP A1 A2 A3(结果)
常用与需要两个操作数的算术运算、逻辑运算相关指令
指令含义：(A1)OP(A2)->A3
完成一条指令需要访存4次，取指->读A1->读A2->写A3
四地址指令 OP A1 A2 A3(结果) A4(下址)
指令含义：(A1)OP(A2)->A3，A4=下一条将要执行指令的地址
完成一条指令需要访存4次，取指->读A1->读A2->写A3
正常情况下：取指令之后PC+1，指向下一条指令
四地址指令：执行指令后，将PC的值修改位A4所指地址

指令-按指令长度分类

指令字长：一条指令的总长度（可能会变）
机器字长：CPU进行一次整数运算所能处理的二进制数据的位数（通常和ALU直接相关）
存储字长：一个存储单元中的二进制代码位数（通常和MDR位数相同）
半字长指令、单字长指令、双字长指令 --指令长度是机器字长的多少倍
指令字长会影响取指令所需时间。如：机器字长=存储字长=16bit，则取一条双字长指令需要两次访存
字长指令字结构：指令系统中所有指令的长度都相等
变长指令字结构：指令系统中各种指令的长度不等

指令-按操作码长度分类

定长操作码：指令系统中所有指令的操作码长度都相同
n位->2的n次方条指令
控制器的译码电路设计简单，但是灵活性较低

可变长操作码：指令系统中各指令的操作码长度可变
控制器的译码电路设计复杂，但是灵活性较高

定长指令字结构+可变长操作码 -> 扩展操作码指令格式

指令—按操作类型分类

数据传送数据传送类进行主存与CPU之间的数据传送
源目的
LOAD 作用：把存储器中的数据放到寄存器中
STORE 作用：把寄存器中的数据放到存储器中
算术逻辑操作运算类
算术：加、减、乘、除、增 1、减 1、求补、浮点运算、十进制运算
逻辑：与、或、非、异或、位操作、位测试、位清除、位求反
移位操作运算类
算术移位、逻辑移位、循环移位(带进位和不带进位)
转移操作程序控制类：改变程序执行的顺序
无条件转移 JMP
条件转移 JZ：结果为0；JO：结果溢出；JC：结果有进位
调用和返回 CALL和RETURN
陷阱(Trap)与陷阱指令
输入输出操作输入输出类（I/O）：进行CPU和I/O设备之间的数据传送
CPU寄存器与IO端口之间的数据传送(端口即IO接口中的寄存器)