指令系统

指令系统概述及指令格式

指令的基本概念

指令
- 计算机能直接识别、执行的操作命令（机器指令）；
- 冯诺依曼结构计算机 “程序控制”原理实现的载体；
指令系统（指令集）
- 一台计算机中所有机器指令的集合；
- 系列机：同一公司不同时期生产，基本系统结构和指令系统相同的计算机。如IBM，PDP-11，VAX-11，Intel-x86
- 兼容机：不同公司生产，基本系统结构和指令系统相同的计算机。如IBM兼容机
指令字长
- 指令中包含的二进制位数
- 与机器字长相比: 单字长、双字长、半字长等长度指令
- 多字长指令：
  - 解决寻址较大存储空间的问题
  - 取指多次访问内存，影响速度，占用空间大
- 等长指令: 指令字长度固定。
- 变长指令: 指令字长度根据需要可变

指令分类

根据指令中操作数的物理位置分类:

存储器－存储器（SS）型
寄存器－寄存器（RR）型
寄存器－存储器（RS）型

根据指令功能分类：

传送指令 MOV 、PUSH/POP、 IN/OUT等
定点算术运算指令 ADD、SUB、INC、CMP、MUL等
位运算指令 NOT、AND、OR、SHL、SAL等
控制转移指令 JMP 、JNE、CALL、RET等

指令格式

操作码字段的位数与支持的最大指令数量有关
- 对于定长操作码而言，LengthOP =⌈log2 n⌉
- 支持变长操作码时，操作码向不用的地址码字段扩展
寻址方式字段的位数与支持的寻址方式种类有关
地址码字段的作用及影响与其位数和寻址方式有关

寻址方式及指令寻址

指令的顺序寻址

程序的指令序列在主存顺序存放。执行时从第一条指令开始(!)，逐条取出并执行，这种程序的顺序执行过程，称为顺序寻址方式。
CPU中设置程序计数器（PC）对指令的顺序号进行计数。PC开始时存放程序的首地址，每执行一条指令，PC 加”1”，指出下条指令的地址，直到程序结束。
- 存储1条指令占用的字节单元数与存储字长有关！

跳跃寻址：

操作数寻址方式

立即数寻址

地址码字段是操作数本身
例 MOV AX,200H （ AX <- 200H）
特点：

取指操作将数据与指令一并读入CPU内部的寄存器，指令执行速度快
便于程序设计（变量赋初值）
数据大小受字段位数限制

寄存器寻址

操作数在CPU内部的寄存器中
例 MOV AX, BX （ AX <- ( BX）)
特点：

操作数在寄存器中，指令执行速度快
能访问的数据大小一般与计算机字长有关
地址字段的位数与计算机通用寄存器数量相关

直接寻址

地址码字段直接给出操作数在内存的地址. E=D, S=(D)
例 MOV AX, [200H]
特点：

提供访问主存的操作
获得数据要访问主存，指令执行速度慢
地址字段的位数决定了访存空间大小

间接寻址

地址码字段给出的是操作数主存地址的地址. E=(D), S= ((D))
例 MOV AX, I[200H]
特点：

获得数据要访问主存2次，指令执行速度太慢
解决了直接寻址方式下地址字段的位数限制访存范围大小的问题

寄存器间接寻址

地址码字段给出的是寄存器编号R. E=(R), S= ((R))
例 MOV AX, [BX]
特点：

获得数据只需访问主存1次
解决了直接寻址方式下地址字段的位数限制访存范围大小的问题

相对寻址

E=D + (PC), D为指令中地址字段的值特点：

注意PC的改变对计算E的影响，如本例中E = 200 + 2000 + 2
可节省指令中的地址位数，便于程序在内存中成块移动

例某计算机采用双字节长指令,内存基于字节寻址,指令中的数据采用补码表示,且PC 的值在取指阶段完成修改。
1)若某采用相对寻址指令的当前地址为2003H,且要求转移后的目标地址为200AH, 则该指令形式地址字段的值为多少?
2)2)若某采用相对寻址的指令的当前地址为2008H,且要求转移后的目标地址为2001H, 则该指令的形式地址字段的值为多少?
解: 1)200AH – (2003H +2) = 5 (0000 0101)
2)2001H – (2008H +2) = -9 (1111 0111 即F7H)
若计算机字长32位, 且PC的值在取指阶段修改,情况如何?
+2变为+4

基址寻址

指定一个基址寄存器B，与本指令地址无关 E= D + (B), D为指令中地址字段的值
MOV AX, 32[B]
特点：

对某一程序而言，基址值设定后不变，故要访问不同数据需修改D
使用基址寄存器可以访问更大的主存空间

变址寻址

指定一个变址寄存器X，与本指令地址无关, 内容可随要求改变， E= D + (X), D为指令中地址字段的值
MOV AX, 32[SI] SI,DI 都称为变址寄存器
特点：

不改变指令即可改变数据的有效地址，可在循环中使用
在字符串处理，向量运算等等成批数据处理中非常有用

总结

指令格式设计

指令格式设计主要内容

根据指令数量的要求及是否支持操作码扩展，确定操作码字段的位数
根据对操作数的要求确定地址码字段的个数
根据寻址方式的要求，为每个地址码字段确定寻址方式字段位数
确定采用定长指令还是变长指令

指令格式设计举例

某机字长32位，采用三地址指令，支持8种寻址操作，完成60种操作，各寻址方式均可在2K主存范围内取得操作数，并可在1K范围内保存运算结果。问应采用什么样的指令格式？指令字长最少应为多少位？执行一条指令最多要访问多少次主存？

字长16位，主存64K，指令单字长单地址，80条指令。寻址方式有直接、间接、相对、变址。请设计指令格式

设某指令系统指令字长16位，每个地址码为6位。若要求设计二地址指令15 条、一地址指令34条，问最多还可设计多少条零地址指令？
解: OP(4) A1(6) A2(6)
操作码按从短码到长码进行扩展编码
假定二地址指令编码: (0000 – 1110) 共15条，1111作为扩展标识；则一地址指令编码的全集可表示为: 1111 000000 – 111111(假定扩向A1)；因一地址指令只需34条，可将全集中多余的30种编码作为向零地址指令扩展的标识，假定为: 100010 – 111111 故最多可支持的故零地址指令数为： 30*2^6 条

MIPS 指令概述

MIPS (Microprocessor without Intellocked Pipleline Stages)是80年代初期由斯坦福大学Hennessy教授领导的研究小组研制成功； Million Instructions Per Second
属于精简指令集计算机RISC(Reduced Instruction Set Computer)；-> 复杂指令集计算机CISC(Complex Instruction Set Computer )；
MIPS指令集有MIPS I，MIPS II，MIPS III，MIPS IV，MIPS V，MIPS32，和 MIPS64多个版本;
早期主要用于嵌入式系统，如Windows CE的设备，路由器，家用网关和视频游戏机，现在已经在PC机、服务器中得到广泛应用

MIPS指令集有以下特点：

简单的Load/Store结构
易于流水线CPU设计
易于编译器开发
MIPS指令的寻址方式非常简单，每条指令的操作也非常简单

MIPS指令格式概述

MIPS 寄存器

MIPS 寻址方式

在MIPS32指令集中，不单设寻址方式说明字段
立即数寻址 ( Immediate addressing)
寄存器直接寻址(Register Addressing)
基址寻址(Basic Addressing)

使用基址寻址的指令：lw ,sw, lh, sh, lb, lbu等
LB rt , offset (base)
相对寻址

使用相对寻址的指令：beq, bne
if (GRP[rs] == GPR[rt]) PC = PC + 4 + BranchAddr
伪直接寻址(页面寻址)

使用伪直接寻址的指令：j, jal