计算机组成原理——指令系统
1、第四章：指令系统
通过下面的思维导图来依次分享「指令系统」里面重要知识点的笔记。
2、第一节：指令格式
1. 指令：又称为机器指令，是指示计算机执行某种操作的命令，是计算机运行的最小功能单位。一台计算机的所有指令的集合构成该机的指令系统，也称为指令集。指令系统是计算机的主要属性，位于硬件和软件的交互界面上。
2. 指令格式：一条指令就是机器语言的一个语句，它是一组有意义的二进制代码。一条指令通常要包括操作码字段和地址码字段两部分。如下：
指令=操作码字段(OP)+地址码字段(A)
一条指令一般的执行过程：操作码字段代表着操作的类型，如加、减、移位等操作；地址码字段代表操作数存放的地址。故执行指令时，先通过地址码字段的地址取出操作数，然后由操作码字段所代表的操作类型进行相应的操作；最后将结果存回在相应的地址中。
3. 按指令中的操作数地址码的数目的不同，可将指令分成以下几种格式(其中“OP”代表操作码字段；“A”代码地址码字段)如下：
①零地址指令格式：
指令 = OP
只有操作码OP，没有显地址码。
用于不需要操作数的指令，如空操作指令、停机指令、关中断指令等。
②一地址指令格式：
指令 = OP+A1
a. 用于只有目的操作数的单操作数指令，按A1地址读取操作数，进行OP操作后，结果存回原地址。
b. 用于隐含约定目的地址的双操作数指令，按指令地址A1可读取源操作数，指令可隐含约定另一个操作数由ACC(累加器)提供，运算结果也将存放在ACC中。
③二地址指令格式：
指令=OP+A1+A2
用于算数和逻辑运算指令，需要使用两个操作数，需分别给出目的操作数和源操作数的地址，其中目的操作数地址还用于保存本次的运算结果。
④三地址指令格式：
指令=OP+A1+A2+A3(结果)
用于指定结果存放位置的二操作数的操作，即分别取出A1和A2两地址中的操作数，进行OP操作，将运算结果存放在A3的地址中。
⑤四地址指令格式：
指令=OP+A1+A2+A3(结果)+A4(下址)
其中A4表示下一条将要执行指令的地址
在三地址指令的基础上加了下一条将要执行的地址A4。
4. 定长操作码指令：是在指令的最高位部分分配固定的若干位(定长)表示操作码，一般n位操作码字段的指令系统最大能够表示2^n条指令。定长指令码对于简化计算机硬件设计，提高指令译码和识别速度很有利。
5. 扩展操作码指令：是可变长操作码的一种常见的方式。即使操作码的长度随地址码的减小而增加，不同地址数的指令可以具有不同长度的操作码，从而在满足需要的前提下，有效地缩短指令字长。
3、第二节：指令寻址方式
1. 寻址方式：是指寻找指令或寻找操作数有效地址的方式，也就是指确定本条指令的数据地址，以及下一条将要执行的指令地址的方法。寻址方式分为指令寻址和数据寻址
说明：指令中的地址码字段并不代表操作数的真实地址，称为形式地址(A)；用形式地址并结合寻址方式，可以计算出操作数在存储器中的真实地址，称为有效地址(EA)。
2. 指令寻址：即寻找下一条将要执行的指令地址。有以下两种方式：
①顺序寻址：通过程序计数器PC加1(1个指令字长)，自动形成下一条指令的地址。
②跳跃寻址：通过转移类指令实现。跳跃，是指下条指令的地址码不是由程序计数器给出，而是由本条指令给出下条指令地址的计算方式。注意：跳跃的结果是当前指令修改PC值，所以下一条指令仍然是通过程序计数器PC给出。
3. 数据寻址：指如何在指令中表示一个操作数的地址，如何用这种表示得到操作数或怎样计算出操作数的地址。常见的数据寻址方式如下：
①隐含寻址：不明显地给出操作数的地址，而是在指令中隐含着操作数的地址，如单地址的指令格式，不明显的给出第二操作数的地址，而是隐含在累加器中。如下图：
隐含寻址的优点是有利于缩短指令字长；缺点是需增加存储操作数或隐含地址的硬件。
②立即(数)寻址：即地址字段指出的不是操作数的地址，而是操作数本身，又称为立即数，数据采用二进制补码的形式存放。
立即寻址的优点是指令在执行阶段不访问主存，指令执行时间最短；缺点是地址码A的位置限制了立即数的范围。
③直接寻址：即指令中的形式地址A就是操作数的真实地址EA。如下图：
直接寻址的优点是简单，指令在执行阶段仅访问一次主存，不需要专门计算操作数的地址；缺点是A的位数决定了该指令操作数的寻址范围，操作数的地址不易修改。
④间接寻址：即指令的地址字段给出的形式地址不是操作数的真正地址，而是操作数有效地址所在的存储单元的地址，也就是操作数地址的地址。间接寻址可以是一次间接寻址，还可以是两次间接寻址。如下图：
间接寻址的优点是可扩大寻址范围(有效地址EA的位数大于形式地址A的位数)，便于编制程序(用间接寻址可以方便地完成子程序返回)；缺点是指令在执行阶段要多次访存，导致寻址速度慢。
⑤寄存器寻址：即指令中直接给出操作数所在的寄存器编号，其操作数在该编号所指的寄存器中。如下图：
寄存器寻址的优点是指令在执行阶段不需要访问主存，只访问寄存器(速度远快于访问主存)，因寄存器数量较少，对应地址码长度较小，使得指令字短且因不访主存，所以执行速度快，支持向量/矩阵运算；缺点是寄存器价格昂贵，计算机中寄存器个数有限。
⑥寄存器间接寻址：是指在寄存器中给出的不是一个操作数，而是操作数所在主存单元的地址。如下图：
寄存器间接寻址的特点是与一般间接寻址相比速度更快，但指令的执行阶段需要访问主存(因为操作数在主存中)
⑦相对寻址：是把程序计数器PC的内容加上指令格式中的形式地址A，而形成操作数的有效地址，其中A是相对于当前指令地址的位移量，可正可负，补码表示。如下图：
相对寻址的特点是操作数的地址不是固定的，它随着PC值的变化而变化，并且与指令地址之间总是相差一个固定值，因此便于程序浮动。因此相对寻址广泛用于转移指令。
⑧基址寻址：是将CPU中基址寄存器(BR)的内容加上指令格式地址A，而形成操作数的有效地址。其中基址寄存器既可采用专用寄存器，也可以采用通用寄存器。如下图：
基址寻址的特点是可扩大寻址范围(基址寄存器的位数大于形式地址A的位数)，用户不必考虑自己的程序存于主存的哪一空间区域，故有利于多道程序设计，以及可用于编制浮动程序，但偏移量(形式地址A)的位数较短。
⑨变址寻址：即有效地址EA等于指令字中的形式地址A与变址寄存器IX的内容相加之和，其中IX为变址寄存器(专用)，也可以用通用寄存器作为变址寄存器。如下图：
变址寻址的特点是可扩大寻址范围(变址寄存器的位数大于形式地址A的位数)；在数组的处理过程中，可设定A为数组的首地址，不断改变变址寄存器IX的内容，便可很容易形成数组中任一数据的地址，特别适合编制循环程序，偏移量(变址寄存器IX)的位数足以表示整个存储空间。
⑩堆栈寻址：堆栈是存储器(或专用寄存器组)中一块特定的按 “后进先出(LIFO)”原则管理的存储区，该存储区中被读写单元的地址是用个特定的寄存器给出的，该寄存器称为堆栈指针(SP)。堆栈可分为硬堆栈与软堆栈两种。寄存器堆栈又称为硬堆栈。寄存器堆栈的成本比较高，不适合做大容量的堆栈；而从主存中划出一段区域来做堆栈是最合算且最常用的方法，这种堆栈称为软堆栈。在采用堆栈结构的计算机系统中，但部分指令表面上都变现为无操作数指令的形式，因为操作数地址都隐含使用了堆栈指针(SP)。
4、第三节：CISC和RISC的基本概念
1. 复杂指令系统计算机(Complex Instruction Set Computer，CISC)：随着VLSI技术的发展，硬件成本不断下降，软件成本不断上升，促使人们在指令系统中增加更多更复杂的指令，以适应不同的应用领域，构成了复杂指令系统计算机(CISC).
2. CISC的特点：
①指令系统复杂庞大，指令数目一般为200条以上。
②指令的长度不固定，指令格式多，寻址方式多。
③可以访存的指令不受限制。
④各种指令使用频度相差很大。
⑤各种指令执行时间相差很大，大多数指令需多个时钟周期才能完成。
⑥控制器大多数采用微程序控制。
⑦难以用优化编译生成高效的目标代码程序。
3. 精简指令系统计算机(Reduced Instruction Set Computer，RISC)：该计算机要求指令系统简化，尽量使用寄存器和寄存器操作指令，指令格式力求一致。
4. CISC的特点：
①选取使用频率最高的一些简单指令，复杂指令的功能由简单指令的组合来实现。
②指令长度固定， 指令格式种类少，寻址方式种类少。
③只有Load/Store (取数/存数)指令访存，其余指令的操作都在寄存器之间进行。
④CPU中通用寄存器数量相当多。
⑤RISC一定采用指令流水线技术，大部分指令在一个时钟周期内完成。
⑥以硬布线控制为主，不用或少用微程序控制。
⑦特别重视编译优化工作，以减少程序执行时间。
5. CISC和RISC的比较：
①RISC更能充分利用VLSI芯片的面积；
②RISC更能提高运算速度；
③RISC便于设计，可降低成本，提高可靠性，RISC指令系统简单，故机器设计周期短，其逻辑简单，故可靠性高。
④RISC有利于编译程序代码优化，RISC指令类型少，寻址方式少，使编译程序容易选择更有效的指令和寻址方式，并适当的调整指令顺序，使得代码执行更高效化。