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：
callret
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
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：
callret
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
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
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
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