计算机组成原理笔记第七章（7.1~7.2）

7.1 机器指令

一、指令的一般格式

这只是一种逻辑的表达方式，实际上位置不是这么严格区分的。

1.操作码：反映机器做什么操作、对什么数据做操作等

（1）长度固定

用于指令字长较长的情况：RISC

（2）长度可变

操作码分散在指令字的不同字段中。

（3）扩展操作码技术

操作码的位数随地址数的减少而增加。可以采用保留码点来指明扩展操作码技术。

除非地址为零，否则操作码不可以全为1！扩展原则：短操作码一定不是长操作码的前缀。

三地址指令操作码每减少一种最多可多构成2⁴种二地址指令。

二地址指令指令操作码每减少一种操作码最多可构成2⁴种一地址指令。

一般来说，高频指令用短操作码表示，不常出现的用长操作码表示。

2.地址码

（1）四地址

说明：

A1是第一操作数地址；A2是第二操作数地址；A3是结果的地址；A4是下一条指令的地址。

假设当前操作是(A1)OP(A2)àA3，取指令访存1次，然后根据地址取出两个操作数访存2次，最后将结果存入A3的地址访存1次，一共访存4次。假设指令字长为32位，操作码为8位，每个地址码长度就为6位，那么每个地址码寻址范围为64，可访问内存空间非常小，这样的地址几乎是不可用的。

实际上，我们可以用PC代替A4，那么就变成了3地址了。

（2）三地址

同样执行上述操作，还是4次访存，但是寻址范围变为了256。

（3）二地址

若结果存于ACC，则只需要3次访存，若结果存于A1或者A2则依旧是4次访存。寻址范围变为了2¹²=4K。

（4）一地址

2次访存，寻址范围为2²⁴=16M。

（5）零地址。无地址码。

二、指令字长

指令字长决定于：操作码的长度；操作数地址的长度；操作数地址的个数。

1.指令字长固定：指令字长=存储字长。

2.指令字长可变：按字节的倍数变化。

小结

当用一些硬件资源代替指令字长中的地址码字段后：

（1）可扩大指令的寻址范围；

（2）可缩短指令字长；

（3）可减少访存次数。

当指令的地址字段为寄存器时：

（1）三地址：OP R1 R2 R3；

（2）二地址：OP R1 R2；

（3）一地址：OP R1。

这种方式可缩短指令字长，指令执行阶段不访存。

7.2 操作数类型和操作类型

 一、操作数类型

（1）地址：无符号整数（绝对寻址）、有符号数（相对寻址）

（2）数字：定点数、浮点数、十进制数

（3）字符：ASCII

（4）逻辑数：逻辑运算

二、数据在存储器中的存储方式

1.字节编址：数据在存储器中的存储方式（存储字长64位，机器字长32位）

a.从任意位置开始存储

图2.1 任意位置存储

优点：不浪费存储资源；缺点：除了访问一个字节之外，访问其它任何类型的数据都可能话费两个存储周期的时间。读写控制比较复杂。

b.从一个存储字的起始位置开始访问

图2.2 从一个存储字的起始位置开始访问

优点：无论访问何种类型的数据，在一个周期均可完成，读写控制简单。但是缺点是浪费了宝贵的存储资源。

c.边界对准方式：从地址的整数倍位置开始访问

图2.3 边界对准方式

数据存储的起始地址是数据长度（按照编址单位进行计算）的整数倍。本方案是前两个方案的折中，在一个周期内可以完成存储访问，空间浪费也不太严重。

三、操作类型

1.数据传送

还有一种是置“1”，清“0”。

2.算术逻辑操作

加、减、乘、除、增1、减1、求补、浮点运算、十进制运算、与、或、非、异或。位操作、位测试、位清除、位求反。

3.移位操作

算术移位、逻辑移位、循环移位（带进位和不带进位）

4.转移

（1）无条件转移：JMP；

（2）条件转移：结果为0转：JZ，结果为溢出转：JO，结果又进位转：JC，跳过一条指令：SKP；

（3）调用和返回：CALL/RETURN；

（4）陷阱（Trap）与陷阱指令

意外事故的中断：

①一般不提供给用户直接使用。在出现事故时，由CPU自动产生并执行（指令）。

②设置供用户使用的陷阱指令。

如8086的INT TYPE 软中断。提供给用户使用的陷阱指令，完成系统调试。

5.输入输出

入：端口中的内容àCPU的寄存器。如：IN AL, n。

出：CPU的寄存器à端口中的内容。如：OUT n, AL。