计算机组成原理——指令格式

计算机是通过执行指令来处理各种数据的。为了指出数据的来源、操作结果的去向及所执行的操作，一条指令必须包含下列信息：

(1)操作码（OP），具体说明了操作的性质及功能
(2)第一操作数的地址 $A_{1}$
(3)第二操作数的地址 $A_{2}$
(4)操作结果存放地址 $A_{3}$
(5)下一条将要执行指令的地址 $A_{4}$

由上可得，一条指令包括两种信息：操作码，地址码

操作码	地址码

此外补充一下其他知识：
字长：计算机在单位时间内(同一时间)能一次处理一组二进制数的位数，决定了计算机的运算精度和一次处理能力。其中包含了CPU、寄存器、Data bus等能够一次传输数据的能力

字节：1Byte=8bit

地址码长度（操作数）：地址码的位数，存储器可以按字长存储单元或字节存储单元编址，地址码的位数可以寻 $2^{N}$个存储单元地址。所以地址码长度决定了指令的直接寻址能力。

指令长度：操作码长度+操作数地址码长度+操作数地址个数。指令长度和字长没有固定的联系

一、定长编码指令格式
这是最简单的一种编码方法。操作码字段的位数和位置固定，为能够表示整个指令系统中的全部指令，指令的操作码字段应当具有足够的位数。
设指令系统共有m条指令，指令中操作码字段的位数为N位，则满足
m<= $2^{N}$

上图为IBM370机的指令格式

二、变长编码指令格式
变长编码的操作码字段位数是不固定的，且分散地放在指令字的不同位置上。

上图为PDP-11机的指令格式图（PPT里截的图）

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下面放一道例题来熟悉一下这两种编码方式的应用

例：设某计算机字长16位，欲使设计的指令系统有零地址指令16条，一地址指令有15条，二地址指令有15条，三地址指令有15条，设每个地址码字段为4位，应如何设计？

解法一、定长操作码解法

共需要满足15+15+15+16=61条指令

由 $2^{6}$=64>61

所以操作码长度为6位
零地址指令长度6位
一地址指令长度10位
二地址指令长度14位
三地址指令长度18位

若要求指令字长为字节的整数倍，则
零地址指令长度8位
一地址指令长度16位
二地址指令长度16位
三地址指令长度24位

解法二、操作码扩展技术解法

$2^{4}$=16>15

指令格式为
各个字段均为4位，指令长度16位。
(1)把4位操作码的编码0000~1110作为15条三地址指令的操作码，1111作为扩展窗口把操作码扩展到 $A_{1}$。

(2)8位操作码编码1111 0000~1111 1110作为15条二地址指令，1111 1111作为扩展窗口把操作码扩展到 $A_{2}$。

(3)12位操作码编码1111 1111 0000~1111 1111 1110作为15条一地址指令，1111 1111 1111作为扩展窗口把操作码扩展到 $A_{3}$。

(4)最后16位操作码编码1111 1111 1111 0000~1111 1111 1111 1111作为16条零地址指令。

PS：操作码扩展法即在4位二进制表示的16个码点中，用前15个(0000开始到1110)来表示最常用指令的操作码，剩余的一个码字(1111)作为扩展窗口把操作码扩展到下一个4位。下一个4位表示的16个码字按照同样的原则处理和扩展。