第五章 指令系统

指令系统概述

指令：控制计算机执行某种操作（加减乘除等）的命令
指令系统：计算机中所有指令的集合

指令通常包括以下内容：

• 具体做什么操作
• 操作对象的来源
• 操作结果的存放位置

指令系统是计算机系统性能的集中体现，是计算机软硬件系统的设计基础，一方面，硬件设计者要根据指令系统进行硬件的逻辑设计，另一方面，软件设计者也要根据指令系统来建立计算机的系统软件，如何表示指令，如何构建指令系统，直接影响计算机系统的软硬件功能，一个完善的指令系统应该满足下面4方面的要求：

• 完备性
  编程时，指令系统直接提供的指令足够使用，不必用软件实现，即要求指令种类齐全，使用方便

• 有效性
  用指令编写的程序能高效运行，占用资源少

• 规整性
  规整性包括三个方面

  1. 对称性：衡量指令对各种寻址方式的支持，即指令能同等对待存储器/寄存器，指令能使用各种寻址方式
  2. 均齐性：衡量指令对各种数据类型的支持
  3. 一致性：指的是指令长度与数据长度的关系，通常是字节的整数倍

• 兼容性
  机器上运行的程序，无需修改或者少量修改就能在另一台计算机运行

指令格式

指令是计算机中传输控制信息的载体，每条指令代表某个基本的信息处理操作及操作的对象
一般的指令格式：

操作码 + 操作数地址码

操作码

操作码用来表示具体的操作性质，不同功能的指令其操作码编码不同
操作码又可分为两种：

• 固定长度操作码：不仅操作码长度固定，而且在指令中的位置也固定
• 可变长操作码：操作码长度不固定，在指令中的位置也不固定

地址码

地址码字段的作用随指令类型和寻址方式不同而不同，根据一条指令中所包含的操作数地址数量，可以分为四种：

• 三地址指令
  两个操作数进行某种运算，其结果放入第三个操作数
• 双地址指令
  两个操作数进行某种运算，其结果放回其中的一个操作数中
• 单地址指令
  1. 单目运算符，如求反操作
  2. 将另一个操作数隐含于某个寄存器
• 零地址指令
  1. 操作不需要地址，如NOP，WAIT等
  2. 需要一个操作数，但是隐含于某个寄存器
  3. 需要两个操作数，但是都位于堆栈中

指令长度

指令长度是指指令的二进制位数，可以分为：

• 半字长指令
  指令字长等于半个机器字长，每个存储单元可以存放两条指令
• 但字长指令
  指令字长等于一个机器字长，每个存储单元可以存放一条指令
• 多字长指令
  指令字长等于多个机器字长，多个存储单元存放一条指令

指令和操作数的寻址方式

寻址方式：寻找指令或操作数有效地址的方法
运行程序之前，必须将指令和数据存放到主存中，主存是基于地址访问的存储器，只有获得相应的地址，CPU才可以访问到主存中对应的内容

指令的寻址方式

顺序寻址

顺序寻址：程序中的指令序列往往是顺序存放，如果知道第一条指令的地址，很容易得到下一条指令的地址
CPU用程序计数器PC保存下一条将被执行的指令地址，每执行一条指令，PC值自动加1，得到下一条指令的地址，这里的加1，是指加一条指令占用的存储单元数，如32位系统中，一条指令4字节，因此按字节编址的情况下，实际是加4

跳跃寻址

当程序中出现分支或转移时，会改变程序执行顺序，这时采用跳跃寻址，下一条指令地址通过PC加上一个偏移值得到

操作数寻址方式

操作数寻址方式：形成操作数有效地址的方法
单地址指令结构：操作码 OP+ 寻址方式特征码 I + 形式地址 D

立即数寻址

此时寻址方式特征码指示为立即寻址，形式地址D是操作数本身，这个立即数作为指令的一部分与指令一起存放在主存单元，取指令时送到指令寄存器中
特点：指令执行速度快，但是受指令所分配的位数限制，不能表示太大的数

直接寻址

直接寻址：指令的地址码字段直接作为操作数地址
此时特征码指出直接寻址方式，形式地址给出操作数的地址
特点：地址直观，不需要通过计算就可以直接获取到操作数地址，但是受位数限制，寻址范围受限，不能表示太大的地址，数据地址改变时，程序也要改变，编程不变

间接寻址

特征码指出间接寻址方式，地址码字段中的形式地址给出操作数地址的地址，因此D只是一个间接地址
特点：解决直接寻址范围受限问题，用较短的地址码访问较大的主存空间

寄存器寻址

寄存器寻址：操作数在CPU内的某个通用寄存器中
这种方式下，取操作数不需要访问主存，因此形式地址字段不表示主存地址，而是通用寄存器号
特点：不需要访问主存，指令执行速度快，所需的地址码短，指令长度可以缩短，节省内存空间

寄存器间接寻址

操作数的地址存放在寄存器中，指令的形式地址字段D给出的是寄存器号，以对应寄存器的内容为地址访问主存单元，得到操作数
特点：访问一次寄存器和一次内存，相对于间接寻址访问两次内存，速度更快，所有既能扩展寻址范围，又不增加访问主存的次数

相对寻址

相对寻址：把程序计数器PC的内容加上指令中形式地址D，形成操作数的有效地址
特点：编程只要确定程序内部操作数与指令的相对距离，而无需确定操作数在主存中的绝对地址，便于实现程序浮动

变址寻址

用一个寄存器存放变化的地址，这个寄存器称为变址寄存器，同时用指令的形式地址字段存放一个偏移值，变址寄存器的内容与指令中形式地址D之和即为操作数的有效地址
一般情况下，变址寄存器的内容每次操作后都会改变，而指令中的偏移量是不变的
对于某些指令，变址寄存器是隐含的，例如（SI 和 DI 寄存器），如果采用通用寄存器作为变址寄存器，则需要显式地指定
变址寻址一般用于对数组之类的线性数据访问

基址寻址

用一个寄存器存放基地址，这个寄存器称为基址寄存器，同时用指令的形式地址字段存放变化的地址值，基址寄存器的内容与形式地址D之和即为操作数据的有效地址
一般情况下，基址寄存器的内容不变，形式地址字段的内容一直变化，正好与变址寻址相反
CPU内部有专门的基址寄存器（BX 和 BP），因此基址寄存器将会隐藏，如果采用通用寄存器作为基址寄存器，则需要指令中指出

和变址寻址的对比

• 基址寻址面向系统，主要用于程序的重定位
• 变址寻址面向用户，主要解决程序循环问题

堆栈寻址

堆栈以先进后出的方式存储数据，寻找存放在堆栈中的操作数地址的方法称为堆栈寻址
在内存中设置一个堆栈基地址，设置一个栈顶指针SP，即可形成堆栈空间

其它寻址

复合寻址

复合寻址是几种寻址方式的组合，主要用于复杂指令集结构计算机

• 变址寻址 + 间接寻址
• 间接寻址 + 变址寻址
• 相对寻址 + 间接寻址

段寻址

段寻址是为了扩大寻址范围，参考8086汇编

分页寻址

为了解决直接寻址中，受位数限制，寻址访问有限的问题
将内存分页，页号提前送入，寻址时，将页号与形式地址进行组合

指令系统类型

一个完善的指令系统应该包括的基本指令有：

• 数据传送指令
  数据传送指令是计算机中最基本最常用的指令，主要用于两个部件之间的数据传送

• 算数逻辑运算指令
  进行各类数据信息处理，包括各种算数运算以及逻辑运算

• 移位操作指令
  分为算数移位，逻辑移位，循环移位，对操作数进行移动

• 堆栈操作指令
  堆栈操作主要是入栈和出栈，用于保存和恢复中断和子程序调用时现场数据和指令地址，以及子程序调用的参数传递等

• 字符串处理指令
  属于非数值处理指令，便于直接用硬件支持非数值处理，一般包括字符串传送，字符串比较，字符串查找，字符串抽取，字符串替换等

• 程序控制指令
  用于控制程序运行的顺序和选择程序的运行方向，主要包括转移指令，循环控制指令，子程序调用与返回指令

• 陷阱指令
  陷阱是由于意外事故而导致程序执行中断，发生这类时间将导致计算机无法正常工作，必须采取措施

• 输入输出指令
  简称IO指令，用于主机与外部之间的数据输入输出，主机向外设发出各种控制命令

• 其它指令
  NOP，WAIT等

指令格式设计及优化

指令格式的设计

指令一般由操作码和地址码组成，指令格式的设计首先要确定指令的编码格式，在此基础上还要确定操作码字段和地址码字段的大小和组合形式，以及各种寻址方式的编码

指令编码格式的设计

指令的编码格式设计就是要确定指令是采用定长指令结构，变长指令结构，还是混合结构

• 定长指令格式
  指令系统中，各种类型指令长度都相等，结构规整，有利于简化硬件，但是容易出现冗余码点，指令不易拓展
• 变长指令格式
  指令字的长度随功能的不同而不同，结构灵活，指令码点冗余少，易于拓展，但是格式不规整，会导致控制复杂
• 混合编码指令格式
  是定长与变量的综合，提供若干长度固定的指令字

操作码的设计

满足完备性是操作码设计的基本要求，还要确认操作码采用定长结构还是变长结构

地址码的设计

地址码要能为指令提供必要的操作数，还要满足指令系统的有效性和规整性

寻址方式的设计

一般将寻址方式单独编码，分配一个寻址方式字段

指令格式的优化

指令格式的优化设计的目的

• 节省程序的存储空间
• 指令格式要尽量规整，以减少硬件译码的复杂程度
• 不能降低指令的执行速度

操作码优化

定长结构的操作码虽然规整，译码简单，但是冗余严重，因此可以缩短长度，降低冗余，主要有以下两种方法

huffman编码

将发生概率最高的指令，用最短的位数表示，出现概率较低的，用较长的位数表示
设某计算机指令系统中有n种不同的指令，第i种操作码在程序种出现的概况为pi，则编码步骤为

• 把所有指令按照操作码出现的概率从低到高的次序自左向右排列
• 选取两个概率最小的节点合并成一个概率值是两者之和的新节点，并把这个新节点与其它还没有合并的节点一起组成新节点集合，并按合并后的概率重新排序
• 在新结点集合种选取两个概率最小的节点进行合并，如此继续，直到全部节点合并完毕
• 最后得到的根节点概率为1
• 每个节点都有两个分支，分别用0和1表示
• 从根节点开始，逐级下移，到达属于每条指令的概率节点，把沿线所经过的代码组合起来，得到相应指令的操作码编码

扩展编码

huffman操作码的主要缺点是长度不规整，硬件译码困难，与地址码共同组成固定长的指令比较困难，扩展编码就是为了解决上述问题

• 等长扩展
  每次扩展位数相同，根据选择位数不同，等长扩展也有很多不同的方法

• 不等长扩展
  每次扩展位数不同

基于地址码扩展的操作码优化

通常在指令中用一个固定长度的操作码字段对基本的指令进行编码，对于不需要地址字段的指令，可以把操作码扩展到地址码字段

地址码优化方法

地址码优化的根本目的是缩短地址码长度，用一个较短的地址码表示同一个较大的逻辑地址空间

• 间接寻址方式：在存储器低端开辟一个区域，将实际的地址存入，实现缩短地址码的目的
• 偏移寻址方式：由于局部性原理，使用偏移量位数可以比较短
• 寄存器间接寻址：寄存器中存放实际地址，但是缺点是寄存器数量比较少

CISC和RISC的基本概念

复杂指令集计算机CISC

• 指令系统复杂庞大，指令数目一般多达两三百条
• 寻址方式多
• 指令格式多
• 指令字长不固定
• 访存指令不加限制
• 各种指令使用频率相差大
• 各种指令执行时间相差大
• 大多数采用微程序控制器

精简指令集计算机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
针对CISC指令系统种类太多，指令格式不规范，寻址方式太多的缺点，减少指令种类，简化寻址方式，方便处理器内部的并行处理，从而大幅提高CPU性能

特点：

• 选取使用频率高的指令，避免使用复杂指令
• 大多数指令在一个机器周期内完成
• 采用load/store结构，尽量减少主存访问
• 采用简单的指令格式和寻址方式，指令长度固定
• 固定的指令格式，可简化指令的译码逻辑
• 面向寄存器的结构，为减少访问内存，CPU内设置大量寄存器
• 采用硬布线控制逻辑
• 注重编译的优化