計組（四）指令系統

內容根據秦磊華《計算機組成原理》正文及習題和華科大網課及習題整理而來。

知識點整理

指令系統和指令格式

• 指令是計算機能直接識別、執行的操作命令；是馮諾依曼結構計算機“程序控制”原理實現的載體。
• 指令系統是指一臺計算機中所有機器指令的集合。
• 系列機是同一公司不同時期生產，基本系統結構和指令系統相同的計算機。兼容機是不同公司生產，基本系統結構和指令系統相同的計算機。
• 一條彙編指令=一條機器語言指令=多條微指令
• 單地址指令可以處理多個數據
• 一個指令系統應該滿足以下幾個方面的要求：完備性（指令總是足夠用）；有效性（指令總是儘可能高效）；規整性(見下)；兼容性（可在不同機器運行）
• 規整性包括對稱性（支持各種尋址方式）、均齊性（支持各種數據類型）以及指令格式與數據格式的一致性（指令長度與數據長度都應該是字節的整數倍）等內容。
• $長度爲n的操作碼，最多可以表示2^{n}條指令$
• 具有兩個操作對象的運算叫做雙目運算
• 三地址指令：如果有兩個操作數和一個運算結果在一條指令中將三者的地址全部給出，那麼就是三地址指令。
• 雙地址指令：R表示寄存器，S表示存儲器
• 單地址指令：有兩種情況——單目運算類指令；隱含了一個操作對象的指令
• 零地址指令：只有操作碼而沒有地址字段的指令
• 指令長度：半字長指令（指令字長等於半個機器字長）；單字長指令（指令字長等於機器字長）；多字長指令（指令字長等於多個機器字長）

尋址方式和指令尋址

• 指令的尋址方式：順序尋址；跳躍尋址
• 順序尋址需要設置一個程序計數器（PC），取指令放入IR（指令寄存器），之後PC+1。
• 跳躍尋址需要設置一個程序計數器（PC），取指令放入IR（指令寄存器），PC+1，之後PC+指令寄存器中的地址。（考點）
• 指令的尋址方式使用指令寄存器來決定而不需要尋址方式特徵位。
• 操作數的尋址方式
  
• 相對尋址，pc先加上存儲單元的大小，然後再加上偏移地址。
• 尋址方式有利於縮短指令字長，方便程序設計，擴展訪存空間
• 指令格式設計：首先根據指令數量要求和是否支持操作碼擴展，確定操作碼字段的位數；其次根據對操作數的要求確定地址碼字段的個數；最後根據尋址方式的要求，爲每一個地址碼字段確定尋址方式字段位數；確定是定長指令還是變長指令。
• Huffman編碼：對於概率最高的指令使用最短的編碼表示
• CISC：複雜指令系統計算機
• RISC：精簡指令系統計算機——RISC體系結構的基本思路是：針對CISC指令系統指令種類太多、指令格式不規範、尋址方式太多的缺點，通過減少指令種類、規範指令格式和簡化尋址方式，方便處理器內部的並行處理，從而大幅度地提高處理器的性能。.
• 互鎖的指令集：先發出的指令先完成

MIPS指令集

• 指令格式：有三種指令格式
• 1.R型指令：Rs、Rt分別爲第一、二源操作數；Rd爲目標操作數2.I型指令：
  3.J型指令
  
• MIPS寄存器
  
  還有32個32位單精度浮點寄存器f0-f31
  還有2個32位乘、商寄存器Hi和Lo；乘法分別存放64位乘積的高、低32位；除法時分別存放餘數和商。
• R型指令由OP和funct字段共同隱含說明當前尋址方式；I型和J型指令由OP字段隱含說明當前指令使用的尋址方式

MIPS尋址方式

• 左移兩位的目的是爲了實現按照32位整數邊界對齊存放

MIPS指令詳解

這裏只有很少一部分，具體請參考指令手冊。

習題

記錄了mooc的部分習題和課本全部習題

Mooc

1.某計算機字長64位，採用單字長指令，下列描述中，正確的是（）（多選）
A.指令字長爲64位
B.指令字長爲16位
C.順序尋址時，PC<-（PC）+1
D.順序尋址時，PC<-（PC）+8
選擇D，1是存儲單元數量，對於64位計算機單字長指令來說，存儲單元仍然是1個字節8bit，如果是雙字長，那麼存儲單元是16bit
2.下列關於指令格式的描述中，正確的是（）（多選）
A.對採用定長操作碼的計算機而言，若需要支持65條指令，則其操作碼字段最少需要7位
B.若指令中每個地址字段位均爲4位，則對RR型指令而言，可以使用16個寄存器
C.指令字長確定的情況下，指令的地址字段越多，則其位數就越少
D.計算機硬件是影響指令格式設計的因素之一
選擇A B C D，對於B選項，可以使用全部的8位寄存器，也就是16個

課本

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