13-指令系统

指令的要素

• 操作码：将要完成的操作

• 源操作数引用

• 结果操作数引用

• 下一指令引用

操作码

• 数据传送

  • 源/目标操作数的位置

  • 传送数据的长度

  • 操作数的寻址方式

• 算术运算

• 逻辑运算

• 输入/输出

• 控制转移

  • 分支/跳转：将跳转的目标地址作为操作数之一

  • 跳步指令：若满足条件，下一条指令被跳过

• 过程调用：call ret

操作数

地址

• 二元操作需要：2个源操作数 1个目的操作数 隐含的下一指令地址

• 指令中的操作数数目越少：

  • 指令长度短，简化CPU设计

  • 指令条数增加，耗时增加，程序更复杂

• 多地址指令：多个寄存器可用，允许只使用寄存器运算，加快执行

数值

• 受限：幅值/浮点数精度

• 类型

  • 二进制整数/定点数

  • 二进制浮点数

  • BCD

字符

• ASCII：7位bit串

• 扩展的二进制编码的十进制交换码 EBCDIC：8位bit串，字母的编码在16进制下的最后一位都在0-9之间
• Unicode：16/32位

逻辑数据

• 类似bitset，每一位代表真/假

• 对数据项的具体位进行操作

操作数引用

• 实际值

• 地址

  • 寄存器

  • 主存/虚拟内存

寻址方式

寻址方式

指令的要素

• 操作码：将要完成的操作

• 源操作数引用

• 结果操作数引用

• 下一指令引用

操作码

• 数据传送

  • 源/目标操作数的位置

  • 传送数据的长度

  • 操作数的寻址方式

• 算术运算

• 逻辑运算

• 输入/输出

• 控制转移

  • 分支/跳转：将跳转的目标地址作为操作数之一

  • 跳步指令：若满足条件，下一条指令被跳过

• 过程调用：call ret

操作数

地址

• 二元操作需要：2个源操作数 1个目的操作数 隐含的下一指令地址

• 指令中的操作数数目越少：

  • 指令长度短，简化CPU设计

  • 指令条数增加，耗时增加，程序更复杂

• 多地址指令：多个寄存器可用，允许只使用寄存器运算，加快执行

数值

• 受限：幅值/浮点数精度

• 类型

  • 二进制整数/定点数

  • 二进制浮点数

  • BCD

字符

• ASCII：7位bit串

• 扩展的二进制编码的十进制交换码 EBCDIC：8位bit串，字母的编码在16进制下的最后一位都在0-9之间
• Unicode：16/32位

逻辑数据

• 类似bitset，每一位代表真/假

• 对数据项的具体位进行操作

操作数引用

• 实际值

• 地址

  • 寄存器

  • 主存/虚拟内存

寻址方式

• A：指令中地址字段的值（指令中的编码）

• R：寄存器内的值

• (X)：地址为X的内容

• EA：被访问位置的实际（有效）地址

名称	用法	算法	优点	缺点
立即寻址	常数 设置变量初始值	op=A	无需存储器访问	数值大小受限
直接寻址	早期常用，现在不常见	EA=A	1次存储器访问 无需专门计算地址	地址空间受限
间接寻址	注：在A有限的情况下，能将A范围内的整页都保留在物理寄存器中，减少缺页	EA=(A)	扩大了地址空间	2次存储器访问
寄存器寻址		EA=R	节省指令空间 无需存储器访问	地址空间受限
寄存器间接寻址		EA=(R)	扩大地址空间 相较于间接寻址少1次存储器访问
偏移寻址	偏移寻址要求指令有两个地址字段，至少其中一个是显式的	EA=(R)+A
- 相对寻址		EA=PC+A	利用局部性，节省指令中地址位数
- 基址寄存器寻址	虚拟内存空间中的程序重定位 若有$N$个基址寄存器，$k$位偏移量，则能映射到$N \times 2^k$个地址 偏移量一般为无符号数，非负	EA=Base+A	利用局部性，节省指令中地址位数
- 变址寻址		EA=A+(R) 前变址：EA=(A+(R)) 后变址：EA=(A)+(R)	高效进行重复操作
栈寻址	栈指针保存在寄存器中，本质还是寄存器（间接）寻址 注：栈向下（地址减少的方向）增长	EA=esp

指令设计

指令设计原则

• 长度

  • 便于开发和节省空间、时间的权衡

  • 尽量短

  • 是字节的整数倍

  • 指令长度 = 存储器传送长度/数据总线宽度（或二者成倍数关系）

  • 变长指令：功能更多、寻址便利和硬件复杂的权衡

• 操作码位数足够：为未来预留

  • 操作码数目和寻址能力的权衡

  • 使用变长操作码

  • 寻址位的考虑因素

    • 寻址方式的总数

    • 操作数数量

    • 寄存器 vs 存储器

    • 寄存器组的数目（分组减少指令指定寄存器位数）

    • 地址范围

    • 寻址粒度（字长越大，所需地址位越小）

• 编码无二义性

• 合理选择地址字段的格式

• 尽量规整：简化硬件实现

指令集设计原则

• 完备性/完整性

• 兼容性：兼容既有指令系统

• 均匀性：处理多种数据

• 可扩充性：操作码预留一定的编码空间

设计的基本问题

• 操作指令表

• 数据类型

• 指令个数

• 寄存器：数目 用途

• 寻址：寻址方式种类 有效地址计算

• 下一条指令地址的确定：PC

• A：指令中地址字段的值（指令中的编码）

• R：寄存器内的值

• (X)：地址为X的内容

• EA：被访问位置的实际（有效）地址

名称	用法	算法	优点	缺点
立即寻址	常数 设置变量初始值	op=A	无需存储器访问	数值大小受限
直接寻址	早期常用，现在不常见	EA=A	1次存储器访问 无需专门计算地址	地址空间受限
间接寻址	注：在A有限的情况下，能将A范围内的整页都保留在物理寄存器中，减少缺页	EA=(A)	扩大了地址空间	2次存储器访问
寄存器寻址		EA=R	节省指令空间 无需存储器访问	地址空间受限
寄存器间接寻址		EA=(R)	扩大地址空间 相较于间接寻址少1次存储器访问
偏移寻址	偏移寻址要求指令有两个地址字段，至少其中一个是显式的	EA=(R)+A
- 相对寻址		EA=PC+A	利用局部性，节省指令中地址位数
- 基址寄存器寻址	虚拟内存空间中的程序重定位 若有$N$个基址寄存器，$k$位偏移量，则能映射到$N \times 2^k$个地址 偏移量一般为无符号数，非负	EA=Base+A	利用局部性，节省指令中地址位数
- 变址寻址		EA=A+(R) 前变址：EA=(A+(R)) 后变址：EA=(A)+(R)	高效进行重复操作
栈寻址	栈指针保存在寄存器中，本质还是寄存器（间接）寻址 注：栈向下（地址减少的方向）增长	EA=esp

指令设计

指令设计原则

• 长度

  • 便于开发和节省空间、时间的权衡

  • 尽量短

  • 是字节的整数倍

  • 指令长度 = 存储器传送长度/数据总线宽度（或二者成倍数关系）

  • 变长指令：功能更多、寻址便利和硬件复杂的权衡

• 操作码位数足够：为未来预留

  • 操作码数目和寻址能力的权衡

  • 使用变长操作码

  • 寻址位的考虑因素

    • 寻址方式的总数

    • 操作数数量

    • 寄存器 vs 存储器

    • 寄存器组的数目（分组减少指令指定寄存器位数）

    • 地址范围

    • 寻址粒度（字长越大，所需地址位越小）

• 编码无二义性

• 合理选择地址字段的格式

• 尽量规整：简化硬件实现

指令集设计原则

• 完备性/完整性

• 兼容性：兼容既有指令系统

• 均匀性：处理多种数据

• 可扩充性：操作码预留一定的编码空间

设计的基本问题

• 操作指令表

• 数据类型

• 指令个数

• 寄存器：数目 用途

• 寻址：寻址方式种类 有效地址计算

• 下一条指令地址的确定：PC