指令系统
指令格式
指令分类
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零地址指令
只给出操作码OP，没有显式地址
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一地址指令
- 只有目的操作数的单操作数指令
- 隐含约定目的地址的双操作数指令
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二地址指令
常用的算数和逻辑运算指令，往往要求使用两个操作数，需要分别给出目的操作数和源操作数的地址，其中目的操作数的地址还用于保存本次的运算结果
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三地址指令
三个地址：源操作数，目的操作数，结果，结果存在第三个地址
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多地址指令
描述一批数据，使用多个地址来指出源数据存放的首地址
指令所包含的信息
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操作码
说明具体操作的性质和功能
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操作数地址
CPU通过该地址取得所需的操作数
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操作结果的存储地址
对操作数处理产生的结果保存在改地址内
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下一条指令的地址
指令顺序执行下一条指令地址由PC给出，当需要改变程序的运行顺序时，下一条指令的地址由指令给出
几种指令的优缺点比较
- 零地址，一地址，而地址
- 执行速度块
- 硬件实现简单
- 指令短
- 三地址，多地址
- 便于编程
- 硬件实现复杂
指令操作码的扩展技术
指令分为固定格式和可变格式两种，RISC指令集使用固定格式，CISC指令集使用操作码的扩展技术
目的
对于一部分不需要某个地址码的指令，我们可以将指令码扩展到地址码
方法
码点：操作码的隔断标记
下面使用一个例子来介绍，有一个16位的指令，需要使用指令码扩展技术来扩展指令，需要在16位中容纳多种指令
| 指令类型 | 指令码 | 地址码 |
|---|---|---|
| 三指令地址 | 0000 ~ 1110 | 后12位 |
| 二指令地址 | 1111 0000 ~ 1111 1110 | 后8位 |
| 一指令地址 | 1111 1111 0000 ~ 1111 1111 1110 | 后4位 |
| 零指令地址 | 1111 1111 1111 0000 ~ 1111 1111 1111 1111 |
寻址方式
我们将寻址方式分为两种，一种是需要使用ALU来计算的寻址方式，一种是无需计算的
需要计算的寻址方式
基址寻址
在计算机中设置一个专用的基址寄存器，操作数的地址由基址寄存器的内容和指令的地址码A相加得到
变址寻址
指令码部分给出地址码A和指定的变址寄存器X的内容通过加法器相加，所得的和作为地址从存储器中读出所需的操作数
相对寻址
将程序计数器PC 的内容和地址码部分给出的位移量Disp相加，作为操作数的地址
堆栈寻址
操作数的地址 = 基址寄存器内容 + 变址寄存器内容 + 指令地址码A
无需计算的寻址方式
直接寻址
指令的地址码部分给出的操作数在存储器中的地址
寄存器寻址
指令码的地址码部分给出寄存器的地址，寄存器中存着操作数
间接寻址
地址码A存储寄存器或内存中存储的地址，寻找到内存中或寄存器内的地址再寻找操作数
立即数寻址
操作数由指令的地址码部分直接给出来
指令类型
指令的分类和功能
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算数逻辑运算指令
主要用于进行定点和浮点运算。这类运算 包括加、减、乘、除以及加1、减1、比较等， 有些机器还有十进制算术运算指令。 绝大多数算术运算指令都会影响到结果状 态标志位，通常的标志位有进位（C）、溢出 （V）、全零（Z）、负（N）、奇偶位（P）。
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移位操作指令
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浮点运算指令
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十进制运算指令
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字符串处理指令
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数据传送指令
此类指令用于实现寄存器与寄存器、 寄存器与存储单元、存储单元与存储单 元之间的数据传送。
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转移指令
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无条件转移指令
不受任何条件约束，直接把程序转移到指令所规定目的地
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条件转移指令
根据某些标志为转移
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调用指令和返回指令
调用函数或者能够独立完成某一个特定功能的程序块，调用后保留返回地址
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陷阱指令
出现意外情况，计算机就发出陷阱信号，转入故障处理程序进行故障处理
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堆栈及堆栈操作指令
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压入
- 首先把堆栈指针SP减量（减量的多少取决于压入数据的字节数）
- 然后把数据送入SP制定单元
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弹出
- 首先把SP所指定的单元的数据取出
- 根据数量对SP进行增加
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堆栈的结构
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寄存器堆栈
这种堆栈的栈顶是固定的，寄存器组中各寄存器是相互连接的，它们之间具有对应位自动推移的功能，即可将一个寄存器的内容推移到相邻的另一个寄存器中去。
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存储器堆栈
从主存中划出一段区域来作堆栈， 这种堆栈又称为软堆栈，堆栈的大小可变，栈底固定，栈顶浮动，故需要一个专门的硬件寄存器作为堆栈栈顶指针SP，简称栈指针。
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IO指令
输入/输出（I/O）类指令用来实现主机与外部设备之间的信息交换
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特权指令
指令系统的兼容性
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兼容机：
各个计算机公司生产的同一系列计算机指令系统、数据格式等保持相同，在此基础上产生了。
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向上兼容：
旧机型上程序不加任何修改就可以在新机器上运行
双字长的加减法
- 加法：
- 如果由ADC指令：直接实现
- 如果没有ADC指令：拆分成多个步骤完成
- 减法：
- 低位相减，若不够减，则C=1，若够减，则C=0。
- 高位相减，若上次运算后C=0 ，减数取补码，若C=1 ，减数取反码。
RISC 和 CISC
CISC
- 起因：计算机的硬件成本不断降低，软件的成本不断提高
- 特点：指令数量多，格式多样，寻址方式复杂
- 优点：功能强大，程序设计容易
- 缺点：硬件实现较为复杂，指令执行的时间不固定
RISC
- 特点：
- 指令数量少
- 指令长度格式
- 访问存储器的指令少
- 优点：运行速度快，硬件实现简单
- 缺点：功能简单