重点内容：

指令格式（R/I/J型，各字段作用）

操作码编码方案

寻址方式

跳转指令（PC相对寻址）

CISC和RISC的比较

4.1 指令格式

定长操作码、扩展操作码、操作类型

指令：计算机执行某种操作的命令。 指令系统 / 指令集：一台计算机所有指令的集合，位于硬件和软件的交界面上。

4.1.1 指令的基本格式

指令 = 操作码字段 + 地址码字段

  • 操作码：操作的性质和功能
  • 地址码：被操作信息的地址

指令长度：一条指令所含二进制代码的位数

指令长度和机器字长没有固定的关系。（半字长指令、单子长指令、双字长指令）

定长指令字结构：所有指令的长度都相等。执行速度快，控制简单

变长指令字结构：指令长度随指令功能而异。但是多为字节的整数倍

指令分类：

  • 零地址指令：OP 无需操作数，或者运算数在堆栈中
  • 一地址指令：OP A1 有两种可能
    • 读和写都在同一个操作数：A1 ← OP(A1)
    • 隐含目的地地址的双操作数指令，如 ACC：ACC ← ACC OP A1
  • 二地址指令：OP A1 A2，表示 A1 ← A1 OP A2
  • 三地址指令：OP A1 A2 A3，表示 A3 ← A1 OP A2
  • 四地址指令：OP A1 A2 A3 A4，表示 A3 ← A1 OP A2 且下一条指令地址为 A4 $$\bigstar \mathbf{IMPORTANT}\bigstar$$ MIPS 指令格式：都是32位宽，按字地址对齐

R-Type：op[6] rs[5] rt[5] rd[5] shamt[5] funct[6]

  • 用于寄存器与寄存器间的算术/逻辑运算
字段代号名称位长
op操作码，几乎恒为 0000006
rs第一个源操作数寄存器5
rt第二个源操作数寄存器5
rd存放目的结果的寄存器5
shamt位移量5
funct功能码，用于区分什么运算6

I-Type：op[6] rs[5] rt[5] immediate[16]

  • 立即数运算：addi/andi/ori rt rs imm
  • 访存：lw/sw rt offset(rs)
  • 条件分支：beq/bne rs rt offset
字段代号名称位长
op操作码6
rs第一个源操作数寄存器5
rt第二个源操作数寄存器5
immediate立即数或者偏移地址
符号扩展：addi / lw / sw / beq
零扩展：andi / ori		16

J-Type：op target-address

  • 跳转指令：j/jal target
字段代号名称位长
op操作码6
target-addressJumpAddr = [PC[31:28], target-address, 00]
其中 PC 是当前指令地址 $+4$（下一条指令地址）		26

4.1.2+4.1.3 操作码指令格式

定长操作码：最高位固定长度表示操作码，若有 $n$ 位，则最大能够表示 $2^n$ 条指令

$$\bigstar \mathbf{IMPORTANT}\bigstar$$ 扩展操作码：操作码的长度随地址码的减少而增加。

  • 不允许短码是长码的前缀，因此短码编码完后必须留下其他前缀来扩展。
  • 各指令的操作码一定不能重复。
  • 对于频率较高的指令分配较短的操作码，对于频率较低的指令分配较长的操作码 指令格式设时，要注意指令字长应是字节的整数倍！

4.1.4 指令的操作类型

  • 数据传送：Mov, Load, Store
  • 算术和逻辑运算：Add, Sub, Cmp, Mul, Div, Inc, Dec, And, Or, Not, Xor
  • 移位操作：算法移位、逻辑移位、循环移位
  • 转移操作：Jmp, Branch, Call, Ret, Trap
  • IO 操作

4.2 指令的寻址方式

常见寻址方式

4.2.1 指令寻址和数据寻址

形式地址 A：指令中的地址码字段

真实地址 EA：操作数在存储器中的真实地址。

指令寻址：寻找下一条要执行的指令地址

  • 顺序寻址：根据 PC + 1 得出下一条指令的地址。
  • 跳跃寻址：由本条指令得出下一条指令地址的计算方式。

数据寻址：寻找本条指令的数据地址

  • 常在指令字中设一个字段表示数据的寻址方式

4.2.2 常见的数据寻址方式

$$\bigstar \mathbf{IMPORTANT}\bigstar$$

寻址方式解释操作数/真实地址计算优点缺点
隐含寻址在指令中隐含操作数的地址
如操作数是累加器 ACC 而不显式给出		指令短1. 需要增加操作数
2. 需要隐含地址的硬件
立即数寻址地址字段是操作数本身，又称立即数 Immediate$操作数 = A$指令执行时间短，无需访问内存操作数的大小受字段长度的限制
直接寻址地址字段是真实地址 EA$EA = A$简单直接寻址空间受地址字段长度的限制
间接寻址指令的地址码 $A1$ 指向主存的地址，访存得到操作数的地址 $A2$，再次访存得到操作数 $Data$
可以多次间接寻址		$EA = (A)$寻址空间大，灵活，便于编程需要两次访存才能取到操作数，速度慢
寄存器寻址操作数在寄存器中，所在的寄存器的编号放到指令当中$EA = R$只需要很短的地址字段
无需访问内存，速度快
使用最多，提高性能		地址范围有限
寄存器间接寻址指令的地址码 $R_n$ 指向第 $n$ 个寄存器的地址，访存得到操作数的地址 $A$，再次访存得到操作数 $Data$$EA = (R)$- 比存储器间接寻址少访问内存一次
- 寻址空间大，使用比较普遍		额外存储器访问
偏移寻址指令的地址码 $R_b$ 指向第 $b$ 个寄存器的地址，访存得到地址 $N$，再加上立即数 $A$ 得到 $N+A$，再次访存得到操作数 $Data$
分为PC相对寻址、基址寻址、变址寻址		$EA = A + (R)$灵活复杂
堆栈寻址堆栈是一个内存区域。
进程的区域中，栈区域从高到低地址扩展，堆区域（动态分配区）从低到高地址扩展。
堆栈指针是一个特殊寄存器，指向栈顶。
两个操作 PUSH/POP 会使指针减/加。		$EA = SP$指令短应用有限

偏移寻址的三种类型： 依照寄存器类型的不同分为三类 $$\bigstar \mathbf{IMPORTANT}\bigstar$$ $\bigstar$ PC相对寻址：下一条指令的地址相对于该条指令的地址码的偏移量。立即数 $A$ 代表跳过了多少条指令，它是一个有符号数，补码表示。

  • 起跳点是当前指令的下一条指令
  • $A$ 一般（默认）代表跳过的字节数，也可代表跳过的指令数，一般每条指令有 2 字节。
  • 因此目标地址就是 $PC + (1 + \Delta) \times bytes_per_instrc$ 或 $PC + (1 + \Delta)$
  • 偏移量是一个有符号数，例如 8 位就是 $[-128, 127]$

常用于函数内部的分支、跳转指令

基址寻址：程序的头部地址放在基址寄存器当中，这个地址由操作系统确定，在程序执行过程中不会随意改变。

将文件基地址加上偏移量就得到相应函数的地址。

常用于函数之间的跳转指令。

变址寻址：数组头部地址放在变址寄存器当中，这个地址一般由用户设定，在程序执行过程中可变。

将数组基址加上偏移量就得到相应数组元素的地址。

常用于数组等顺序结构的访问。

4.3 *程序的机器级代码表示

常用汇编指令、过程调用、选择语句、循环语句

4.4 CISC 和 RISC 的基本概念

CISC、RISC $$\bigstar \mathbf{IMPORTANT}\bigstar$$

对比方面CISCRISC
设计思想指令系统复杂，用复杂指令完成复杂功能指令系统精简，用简单指令组合完成复杂功能
指令数量指令多，通常 200 条以上指令少
指令长度不固定长度固定长度
指令格式 / 寻址方式格式多、寻址方式多格式少、寻址方式少
是否允许指令直接访存多数指令可直接访存只有 Load / Store 指令访存
寄存器数量通用寄存器较少通用寄存器较多
指令执行周期多数指令需要 多个时钟周期大多数指令 1 个时钟周期完成
是否适合流水线不利于流水线天然适合流水线
控制器实现方式微程序控制为主硬布线控制为主
编译优化不利于编译优化非常利于编译优化
运算速度相对较慢相对较快
设计复杂度设计复杂、研制周期长设计简单、研制周期短
软件兼容性兼容性好兼容性较差
发展趋势现代 CISC 融合 RISC 思想被认为是未来处理器的发展方向