第五章 指令系統

指令系統概述

指令：控制計算機執行某種操作（加減乘除等）的命令
指令系統：計算機中所有指令的集合

指令通常包括以下內容：

• 具體做什麼操作
• 操作對象的來源
• 操作結果的存放位置

指令系統是計算機系統性能的集中體現，是計算機軟硬件系統的設計基礎，一方面，硬件設計者要根據指令系統進行硬件的邏輯設計，另一方面，軟件設計者也要根據指令系統來建立計算機的系統軟件，如何表示指令，如何構建指令系統，直接影響計算機系統的軟硬件功能，一個完善的指令系統應該滿足下面4方面的要求：

• 完備性
  編程時，指令系統直接提供的指令足夠使用，不必用軟件實現，即要求指令種類齊全，使用方便

• 有效性
  用指令編寫的程序能高效運行，佔用資源少

• 規整性
  規整性包括三個方面

  1. 對稱性：衡量指令對各種尋址方式的支持，即指令能同等對待存儲器/寄存器，指令能使用各種尋址方式
  2. 均齊性：衡量指令對各種數據類型的支持
  3. 一致性：指的是指令長度與數據長度的關係，通常是字節的整數倍

• 兼容性
  機器上運行的程序，無需修改或者少量修改就能在另一臺計算機運行

指令格式

指令是計算機中傳輸控制信息的載體，每條指令代表某個基本的信息處理操作及操作的對象
一般的指令格式：

操作碼 + 操作數地址碼

操作碼

操作碼用來表示具體的操作性質，不同功能的指令其操作碼編碼不同
操作碼又可分爲兩種：

• 固定長度操作碼：不僅操作碼長度固定，而且在指令中的位置也固定
• 可變長操作碼：操作碼長度不固定，在指令中的位置也不固定

地址碼

地址碼字段的作用隨指令類型和尋址方式不同而不同，根據一條指令中所包含的操作數地址數量，可以分爲四種：

• 三地址指令
  兩個操作數進行某種運算，其結果放入第三個操作數
• 雙地址指令
  兩個操作數進行某種運算，其結果放回其中的一個操作數中
• 單地址指令
  1. 單目運算符，如求反操作
  2. 將另一個操作數隱含於某個寄存器
• 零地址指令
  1. 操作不需要地址，如NOP，WAIT等
  2. 需要一個操作數，但是隱含於某個寄存器
  3. 需要兩個操作數，但是都位於堆棧中

指令長度

指令長度是指指令的二進制位數，可以分爲：

• 半字長指令
  指令字長等於半個機器字長，每個存儲單元可以存放兩條指令
• 但字長指令
  指令字長等於一個機器字長，每個存儲單元可以存放一條指令
• 多字長指令
  指令字長等於多個機器字長，多個存儲單元存放一條指令

指令和操作數的尋址方式

尋址方式：尋找指令或操作數有效地址的方法
運行程序之前，必須將指令和數據存放到主存中，主存是基於地址訪問的存儲器，只有獲得相應的地址，CPU纔可以訪問到主存中對應的內容

指令的尋址方式

順序尋址

順序尋址：程序中的指令序列往往是順序存放，如果知道第一條指令的地址，很容易得到下一條指令的地址
CPU用程序計數器PC保存下一條將被執行的指令地址，每執行一條指令，PC值自動加1，得到下一條指令的地址，這裏的加1，是指加一條指令佔用的存儲單元數，如32位系統中，一條指令4字節，因此按字節編址的情況下，實際是加4

跳躍尋址

當程序中出現分支或轉移時，會改變程序執行順序，這時採用跳躍尋址，下一條指令地址通過PC加上一個偏移值得到

操作數尋址方式

操作數尋址方式：形成操作數有效地址的方法
單地址指令結構：操作碼 OP+ 尋址方式特徵碼 I + 形式地址 D

立即數尋址

此時尋址方式特徵碼指示爲立即尋址，形式地址D是操作數本身，這個立即數作爲指令的一部分與指令一起存放在主存單元，取指令時送到指令寄存器中
特點：指令執行速度快，但是受指令所分配的位數限制，不能表示太大的數

直接尋址

直接尋址：指令的地址碼字段直接作爲操作數地址
此時特徵碼指出直接尋址方式，形式地址給出操作數的地址
特點：地址直觀，不需要通過計算就可以直接獲取到操作數地址，但是受位數限制，尋址範圍受限，不能表示太大的地址，數據地址改變時，程序也要改變，編程不變

間接尋址

特徵碼指出間接尋址方式，地址碼字段中的形式地址給出操作數地址的地址，因此D只是一個間接地址
特點：解決直接尋址範圍受限問題，用較短的地址碼訪問較大的主存空間

寄存器尋址

寄存器尋址：操作數在CPU內的某個通用寄存器中
這種方式下，取操作數不需要訪問主存，因此形式地址字段不表示主存地址，而是通用寄存器號
特點：不需要訪問主存，指令執行速度快，所需的地址碼短，指令長度可以縮短，節省內存空間

寄存器間接尋址

操作數的地址存放在寄存器中，指令的形式地址字段D給出的是寄存器號，以對應寄存器的內容爲地址訪問主存單元，得到操作數
特點：訪問一次寄存器和一次內存，相對於間接尋址訪問兩次內存，速度更快，所有既能擴展尋址範圍，又不增加訪問主存的次數

相對尋址

相對尋址：把程序計數器PC的內容加上指令中形式地址D，形成操作數的有效地址
特點：編程只要確定程序內部操作數與指令的相對距離，而無需確定操作數在主存中的絕對地址，便於實現程序浮動

變址尋址

用一個寄存器存放變化的地址，這個寄存器稱爲變址寄存器，同時用指令的形式地址字段存放一個偏移值，變址寄存器的內容與指令中形式地址D之和即爲操作數的有效地址
一般情況下，變址寄存器的內容每次操作後都會改變，而指令中的偏移量是不變的
對於某些指令，變址寄存器是隱含的，例如（SI 和 DI 寄存器），如果採用通用寄存器作爲變址寄存器，則需要顯式地指定
變址尋址一般用於對數組之類的線性數據訪問

基址尋址

用一個寄存器存放基地址，這個寄存器稱爲基址寄存器，同時用指令的形式地址字段存放變化的地址值，基址寄存器的內容與形式地址D之和即爲操作數據的有效地址
一般情況下，基址寄存器的內容不變，形式地址字段的內容一直變化，正好與變址尋址相反
CPU內部有專門的基址寄存器（BX 和 BP），因此基址寄存器將會隱藏，如果採用通用寄存器作爲基址寄存器，則需要指令中指出

和變址尋址的對比

• 基址尋址面向系統，主要用於程序的重定位
• 變址尋址面向用戶，主要解決程序循環問題

堆棧尋址

堆棧以先進後出的方式存儲數據，尋找存放在堆棧中的操作數地址的方法稱爲堆棧尋址
在內存中設置一個堆棧基地址，設置一個棧頂指針SP，即可形成堆棧空間

其它尋址

複合尋址

複合尋址是幾種尋址方式的組合，主要用於複雜指令集結構計算機

• 變址尋址 + 間接尋址
• 間接尋址 + 變址尋址
• 相對尋址 + 間接尋址

段尋址

段尋址是爲了擴大尋址範圍，參考8086彙編

分頁尋址

爲了解決直接尋址中，受位數限制，尋址訪問有限的問題
將內存分頁，頁號提前送入，尋址時，將頁號與形式地址進行組合

指令系統類型

一個完善的指令系統應該包括的基本指令有：

• 數據傳送指令
  數據傳送指令是計算機中最基本最常用的指令，主要用於兩個部件之間的數據傳送

• 算數邏輯運算指令
  進行各類數據信息處理，包括各種算數運算以及邏輯運算

• 移位操作指令
  分爲算數移位，邏輯移位，循環移位，對操作數進行移動

• 堆棧操作指令
  堆棧操作主要是入棧和出棧，用於保存和恢復中斷和子程序調用時現場數據和指令地址，以及子程序調用的參數傳遞等

• 字符串處理指令
  屬於非數值處理指令，便於直接用硬件支持非數值處理，一般包括字符串傳送，字符串比較，字符串查找，字符串抽取，字符串替換等

• 程序控制指令
  用於控制程序運行的順序和選擇程序的運行方向，主要包括轉移指令，循環控制指令，子程序調用與返回指令

• 陷阱指令
  陷阱是由於意外事故而導致程序執行中斷，發生這類時間將導致計算機無法正常工作，必須採取措施

• 輸入輸出指令
  簡稱IO指令，用於主機與外部之間的數據輸入輸出，主機向外設發出各種控制命令

• 其它指令
  NOP，WAIT等

指令格式設計及優化

指令格式的設計

指令一般由操作碼和地址碼組成，指令格式的設計首先要確定指令的編碼格式，在此基礎上還要確定操作碼字段和地址碼字段的大小和組合形式，以及各種尋址方式的編碼

指令編碼格式的設計

指令的編碼格式設計就是要確定指令是採用定長指令結構，變長指令結構，還是混合結構

• 定長指令格式
  指令系統中，各種類型指令長度都相等，結構規整，有利於簡化硬件，但是容易出現冗餘碼點，指令不易拓展
• 變長指令格式
  指令字的長度隨功能的不同而不同，結構靈活，指令碼點冗餘少，易於拓展，但是格式不規整，會導致控制複雜
• 混合編碼指令格式
  是定長與變量的綜合，提供若干長度固定的指令字

操作碼的設計

滿足完備性是操作碼設計的基本要求，還要確認操作碼採用定長結構還是變長結構

地址碼的設計

地址碼要能爲指令提供必要的操作數，還要滿足指令系統的有效性和規整性

尋址方式的設計

一般將尋址方式單獨編碼，分配一個尋址方式字段

指令格式的優化

指令格式的優化設計的目的

• 節省程序的存儲空間
• 指令格式要儘量規整，以減少硬件譯碼的複雜程度
• 不能降低指令的執行速度

操作碼優化

定長結構的操作碼雖然規整，譯碼簡單，但是冗餘嚴重，因此可以縮短長度，降低冗餘，主要有以下兩種方法

huffman編碼

將發生概率最高的指令，用最短的位數表示，出現概率較低的，用較長的位數表示
設某計算機指令系統中有n種不同的指令，第i種操作碼在程序種出現的概況爲pi，則編碼步驟爲

• 把所有指令按照操作碼出現的概率從低到高的次序自左向右排列
• 選取兩個概率最小的節點合併成一個概率值是兩者之和的新節點，並把這個新節點與其它還沒有合併的節點一起組成新節點集合，並按合併後的概率重新排序
• 在新結點集合種選取兩個概率最小的節點進行合併，如此繼續，直到全部節點合併完畢
• 最後得到的根節點概率爲1
• 每個節點都有兩個分支，分別用0和1表示
• 從根節點開始，逐級下移，到達屬於每條指令的概率節點，把沿線所經過的代碼組合起來，得到相應指令的操作碼編碼

擴展編碼

huffman操作碼的主要缺點是長度不規整，硬件譯碼困難，與地址碼共同組成固定長的指令比較困難，擴展編碼就是爲了解決上述問題

• 等長擴展
  每次擴展位數相同，根據選擇位數不同，等長擴展也有很多不同的方法

• 不等長擴展
  每次擴展位數不同

基於地址碼擴展的操作碼優化

通常在指令中用一個固定長度的操作碼字段對基本的指令進行編碼，對於不需要地址字段的指令，可以把操作碼擴展到地址碼字段

地址碼優化方法

地址碼優化的根本目的是縮短地址碼長度，用一個較短的地址碼錶示同一個較大的邏輯地址空間

• 間接尋址方式：在存儲器低端開闢一個區域，將實際的地址存入，實現縮短地址碼的目的
• 偏移尋址方式：由於局部性原理，使用偏移量位數可以比較短
• 寄存器間接尋址：寄存器中存放實際地址，但是缺點是寄存器數量比較少

CISC和RISC的基本概念

複雜指令集計算機CISC

• 指令系統複雜龐大，指令數目一般多達兩三百條
• 尋址方式多
• 指令格式多
• 指令字長不固定
• 訪存指令不加限制
• 各種指令使用頻率相差大
• 各種指令執行時間相差大
• 大多數採用微程序控制器

精簡指令集計算機RISC

CISC典型程序中，80%的程序只用到了20%的指令集，因此提出RISC
針對CISC指令系統種類太多，指令格式不規範，尋址方式太多的缺點，減少指令種類，簡化尋址方式，方便處理器內部的並行處理，從而大幅提高CPU性能

特點：

• 選取使用頻率高的指令，避免使用複雜指令
• 大多數指令在一個機器週期內完成
• 採用load/store結構，儘量減少主存訪問
• 採用簡單的指令格式和尋址方式，指令長度固定
• 固定的指令格式，可簡化指令的譯碼邏輯
• 面向寄存器的結構，爲減少訪問內存，CPU內設置大量寄存器
• 採用硬佈線控制邏輯
• 注重編譯的優化