1.概述

指令系統(tǒng)：指一臺(tái)計(jì)算機(jī)所具有的全部機(jī)器指令的集合，反映了該計(jì)算機(jī)所擁有的基本功能，是計(jì)算機(jī)硬件的語言系統(tǒng)，也被稱為機(jī)器語言

• CISC與RISC指令系統(tǒng)的特點(diǎn)及區(qū)別

• 指令系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則

  • 完整性：要求通用計(jì)算機(jī)應(yīng)具備完善的指令功能
  • 規(guī)整性：所有運(yùn)算部件都能等同地訪問所有數(shù)據(jù)存儲(chǔ)單元
  • 高效性：利用該指令系統(tǒng)編寫的程序能夠高效率地運(yùn)行
  • 兼容性：通常只能做到向上兼容，向后兼容

• 地址空間

  • 三地址空間：通用寄存器，主存儲(chǔ)器，輸入輸出設(shè)備分別進(jìn)行獨(dú)立編址
  • 二地址空間：通用寄存器獨(dú)立編址，主存和I/O設(shè)備統(tǒng)一編址，
    優(yōu)點(diǎn)：能夠簡(jiǎn)化指令系統(tǒng)，不必另外設(shè)置輸入輸出指令，所有能訪問主存的指令都能訪問I/O設(shè)備
    缺點(diǎn)：所有訪問主存的指令都需通過地址譯碼來判斷是否訪問I/O設(shè)備，影響指令的執(zhí)行速度
    
    二地址空間
  • 一地址空間：所有設(shè)備統(tǒng)一編址，地址編碼最長(zhǎng)，所有能訪問寄存器的指令，也能訪問主存和I/O設(shè)備
    
    一地址空間
  • 零地址空間：隱含編址方式，堆棧計(jì)算機(jī)中有這種方式

• 獨(dú)立編址和統(tǒng)一編址的對(duì)比

  • 獨(dú)立編址
    專用的I/O端口編址，存儲(chǔ)器和I/O端口在兩個(gè)獨(dú)立的地址空間中
    • 優(yōu)點(diǎn)：I/O端口的地址碼較短，譯碼電路簡(jiǎn)單，存儲(chǔ)器同I/O端口的操作指令不同，程序比較清晰；存儲(chǔ)器和I/O端口的控制結(jié)構(gòu)相互獨(dú)立，可以分別設(shè)計(jì)
    • 缺點(diǎn)：需要有專用的I/O指令，程序設(shè)計(jì)的靈活性較差
  • 統(tǒng)一編址
    存儲(chǔ)器映像編址，存儲(chǔ)器和I/O端口共用統(tǒng)一的地址空間，當(dāng)一個(gè)地址空間分配給I/O端口以后，存儲(chǔ)器就不能再占有這一部分的地址空間
    • 優(yōu)點(diǎn)：不需要專用的I/O指令，任何對(duì)存儲(chǔ)器數(shù)據(jù)進(jìn)行操作的指令都可用于I/O端口的數(shù)據(jù)操作，程序設(shè)計(jì)比較靈活；由于I/O端口的地址空間是內(nèi)存空間的一部分，這樣，I/O端口的地址空間可大可小，從而使外設(shè)的數(shù)量幾乎不受限制
    • 缺點(diǎn)：I/O端口占用了內(nèi)存空間的一部分，影響了系統(tǒng)的內(nèi)存容量；訪問I/O端口也要同訪問內(nèi)存一樣，由于內(nèi)存地址較長(zhǎng)，導(dǎo)致執(zhí)行時(shí)間增加

2.編址方式

• 按字編址

  • 實(shí)現(xiàn)容易簡(jiǎn)單，每個(gè)編址單位與設(shè)備的訪問單位一致，即每個(gè)編址單位所包含的信息量(二進(jìn)制位數(shù))與訪問一次設(shè)備所獲得的信息量是等同的，早期采用這種方式
  • 缺點(diǎn)：對(duì)非數(shù)值計(jì)算支持不足，不支持字節(jié)操作，位操作，需專門設(shè)置字節(jié)操作指令，微操作指令

• 按字節(jié)編址

  • 編址單位是字節(jié)，與信息的基本單位一致
  • 即有字節(jié)地址，又有字地址，字節(jié)地址一般連續(xù)，字地址一般不連續(xù)
    字地址 = n * 字長(zhǎng) / 8(n = 0,1,2,...)
  • 每個(gè)編址單位所包含的信息量與訪問一次存儲(chǔ)器所獲得的信息量不相同

• 字節(jié)編址順序問題

  • 小端方式(低字節(jié)低地址)
    字節(jié)地址從左往右逆序
    
    小端方式
  • 大端方式(高字節(jié)低地址)
    字節(jié)地址從左往右升序
    
    大端方式

• 數(shù)據(jù)存放邊界對(duì)齊問題

  • 邊界對(duì)齊
    • 規(guī)定了字節(jié)，半字，單字，雙字存放的起始位置
    • 優(yōu)點(diǎn)：訪問各種長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)都可在一個(gè)存儲(chǔ)周期內(nèi)完成，讀寫控制簡(jiǎn)單
    • 缺點(diǎn)：造成存儲(chǔ)空間浪費(fèi)，存儲(chǔ)空間利用率低
      
      邊界對(duì)齊
  • 邊界不對(duì)齊：可從任意位置開始存儲(chǔ)
    • 不浪費(fèi)存儲(chǔ)空間，不同長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)一個(gè)緊接著一個(gè)存放，存儲(chǔ)空間利用率高
    • 訪問雙字，單字都有可能跨越兩個(gè)字單元存放，可能需花費(fèi)兩個(gè)存儲(chǔ)周期的時(shí)間，存儲(chǔ)器工作速度降低一倍
    • 存儲(chǔ)器讀寫控制復(fù)雜
      
      邊界不對(duì)齊

3.指令格式

• 操作碼：給出指令操作性質(zhì)，即指令要完成的功能

• 地址碼：指出操作數(shù)的地址，或下一條指令在主存儲(chǔ)器中的地址

  
  
  指令基本格式
• 三地址指令：指令執(zhí)行后兩個(gè)源操作數(shù)內(nèi)容不變，但指令字長(zhǎng)較長(zhǎng)
  • 通常完成 A3 <- (A1)OP(A2)
    
    三地址指令
• 二地址指令：兩個(gè)源地址之一和目的地址結(jié)合起來，留下另一個(gè)源地址格式保持獨(dú)立
  • 通常完成 A1 <- (A1)OP(A2)
  • 優(yōu)勢(shì)：通過減少一個(gè)地址碼字段，可以減少指令字長(zhǎng)度。可通過增加地址碼字段位數(shù)，提高可尋址范圍

  • 缺點(diǎn)：影響了程序的靈活性

    
    
    二地址指令
• 一地址指令：在二地址指令格式基礎(chǔ)上，將源操作數(shù)或目的操作數(shù)設(shè)定到一個(gè)專用寄存器(通常為AC累加器)中
  • 通常完成 AC <- (AC)OP(A)
    
    一地址指令
• 零地址指令：源操作數(shù)和目的操作數(shù)都內(nèi)含在一個(gè)處理機(jī)堆棧中，由兩個(gè)棧頂單元提供兩個(gè)源操作數(shù)，結(jié)果(目的操作數(shù))存放在棧頂
  
  零地址指令
• 地址碼個(gè)數(shù)選擇標(biāo)準(zhǔn)
  • 程序所占存儲(chǔ)量盡可能小
  • 程序的執(zhí)行速度盡可能快

4.操作碼擴(kuò)展技術(shù)

可充分利用指令信息位，有效壓縮操作碼平均長(zhǎng)度
基本思想：當(dāng)采用定長(zhǎng)指令字格式，且多種地址碼結(jié)構(gòu)混合使用，可利用地址碼個(gè)數(shù)較少的指令空出來的地址碼字段，來增加操作碼的位數(shù)

• 定長(zhǎng)操作碼： 操作碼OP長(zhǎng)度固定，指令譯碼結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，浪費(fèi)信息位
• 變長(zhǎng)操作碼：操作碼OP長(zhǎng)度不固定，
  首先需明確兩個(gè)原則：
• 不允許短碼是長(zhǎng)碼的前綴
• 可表示的指令的操作碼一定不能重復(fù)
  通常用全1作為擴(kuò)展標(biāo)志碼，例如下圖，4位操作碼時(shí)，用1111作為擴(kuò)展標(biāo)志碼，該操作碼不表示三地址指令，這樣，8位操作碼時(shí)，操作碼高4位全為1表示是因?yàn)?code>不允許短碼是長(zhǎng)碼的前綴，若高4位用從0000~1110之間任一編碼，則違反了上述第一個(gè)原則，故高位必須是上一長(zhǎng)度操作碼的擴(kuò)展標(biāo)志碼，只能從低位開始進(jìn)行當(dāng)前操作碼長(zhǎng)度指令編碼，故最多可表示15條二地址指令，12位時(shí)，11111111作為擴(kuò)展標(biāo)志碼，16位操作碼時(shí)，由于后面沒有可擴(kuò)展的地址空間了，故1111111111111111 可以表示一條零地址指令
  

5.尋址方式

幾個(gè)與地址相關(guān)的概念
形式地址：指指令中顯式給出的地址
有效地址：也稱邏輯地址，通常指在本程序中的相對(duì)地址，可根據(jù)形式地址通過某種變換得到
即 有效地址 = 形式地址 + 尋址方式

• 指令尋址：確定下一條將要執(zhí)行的指令所在主存單元地址的方法
  • 順序?qū)ぶ罚撼绦蛴?jì)數(shù)器PC+1，自動(dòng)形成下一條指令地址，PC初始值設(shè)定為該程序第一條指令所在主存單元的地址
  • 跳躍尋址：轉(zhuǎn)移類指令給出下一條指令的地址信息
• 數(shù)據(jù)尋址
  如圖，通常在指令地址碼字段設(shè)置尋址方式子字段，又稱尋址特征字段，指出具體尋址方式，另一個(gè)子字段給出形式地址，一條指令可能包含多個(gè)操作數(shù)，各操作數(shù)的尋址方式可以不同
  
  一地址指令

  • 基本尋址方式
    根據(jù)數(shù)據(jù)所在位置不同可分為：

    • 立即尋址：操作數(shù)直接在指令地址碼字段給出，即操作數(shù)本身設(shè)在指令字中

      • 形式地址 I 不是操作數(shù)的地址，而是操作數(shù)本身，又稱立即數(shù)
      • #表示立即尋址特征
      • 只能用于源操作數(shù)尋址
      • 作用 ：給寄存器賦初值，立即數(shù)作為常數(shù)參與運(yùn)算
      • 有效地址EA 就是該指令在主存單元的地址
      • 特點(diǎn)：只要取出指令，便可立即獲得操作數(shù)，執(zhí)行階段不必再次訪問存儲(chǔ)器，指令執(zhí)行速度快
      • 缺點(diǎn)：I 的位數(shù)限制了所能表示的立即數(shù)范圍，大量使用立即尋址程序的通用性會(huì)下降
        
        立即尋址

    • 寄存器尋址 : 指源操作數(shù)已經(jīng)在通用寄存器中，或操作結(jié)果要返回通用寄存器，源操作數(shù)，目的操作數(shù)都適用

      • 形式地址EA = Ri，Ri為通用寄存器編號(hào)
      • 獲得操作數(shù)無需訪問內(nèi)存，指令執(zhí)行時(shí)間短
      • 形式地址字段只需指明寄存器編號(hào)(位數(shù)遠(yuǎn)小于主存單元地址位數(shù))，故指令字長(zhǎng)短，節(jié)省存儲(chǔ)空間
        
        寄存器尋址

    • 存儲(chǔ)器尋址
      按有效地址形成方式，可分為：

      • 直接尋址：地址碼字段的形式地址A就是操作數(shù)或下一條指令的有效地址

        • 有效地址EA = A
        • 形成地址無需變換，獲得有效地址比較簡(jiǎn)單，
        • 指令執(zhí)行期間需訪問一次內(nèi)存
        • 缺點(diǎn)：指令字長(zhǎng)限制了形式地址字段的位數(shù)，故操作數(shù)或指令的可尋址范圍比較小
          
          直接尋址

      • 存儲(chǔ)器間接尋址

        • 形式地址是操作數(shù)地址的地址
        • 有效地址EA = (A)，括號(hào)表示地址A對(duì)應(yīng)存儲(chǔ)單元的內(nèi)容
        • 至少兩次或兩次以上訪存才可獲得操作數(shù)(或指令)，可多次間接
        • 指令中形式地址碼長(zhǎng)度可以很短，但尋址范圍可以很大
        • 尋址范圍取決于主存字長(zhǎng)m
        • 一次間接尋址的最大尋址范圍2^m字，兩次間接尋址的最大尋址范圍2^(m-1)字(其中一位用來作間接尋址標(biāo)志位，故為m-1次方)
        • 可為程序設(shè)計(jì)提供很好靈活性
        • 訪問不同主存單元數(shù)據(jù)時(shí)，可通過改變形式地址對(duì)應(yīng)主存單元內(nèi)容，而不必改變指令本身
        • 缺點(diǎn)：需多次訪問主存，影響指令執(zhí)行速度
          
          存儲(chǔ)器一次間接尋址
        • 多次間接尋址的尋址標(biāo)志問題
          第一次間接尋址標(biāo)志由指令給出，以后每次的間接尋址標(biāo)志由緊接著訪問主存所取出來的地址碼給出，如果取出的地址碼的間接尋址標(biāo)志位(通常用最高位)為1，則表示要用除去標(biāo)志位后的部分作為地址碼，繼續(xù)訪問主存，直至取出來的間接尋址標(biāo)志位為0為止，此時(shí)除去間接尋址標(biāo)志位的地址碼即為有效地址
          
          多次間接尋址
          
          
          多次間接尋址

      • 寄存器間接尋址

        • 有效地址EA = (Ri)
        • 指令中地址碼長(zhǎng)度更短，寄存器間接尋址范圍取決于寄存器位數(shù)(即機(jī)器字長(zhǎng)n)
          
          寄存器間接尋址

      • 偏移尋址

        • 有效地址EA = (Ri) + A，Ri 是專用寄存器或通用寄存器編號(hào)，形式地址A為偏移量，是有符號(hào)整數(shù)
          
          偏移尋址

        偏移尋址可分為如下三類：

        • 相對(duì)尋址
          • 有效地址EA = (PC) + A，PC為程序計(jì)數(shù)器
          • 地址碼字段較短
          • 相對(duì)尋址范圍取決于偏移量A的位數(shù)k，即尋址范圍為：(PC)-2^(k-1) ~ (PC)+2^(K-1) -1 (A是有符號(hào)數(shù)，k位補(bǔ)碼表示范圍為-2^(k-1) ~ 2^(K-1) -1)
          • 特點(diǎn)：只要操作數(shù)或下一條指令與當(dāng)前指令的相對(duì)距離不變，無論程序存放在主存中哪段區(qū)域都可以正確執(zhí)行，即有利于程序在內(nèi)存中浮動(dòng) ，可編寫與位置無關(guān)的代碼
        • 變址尋址
          • 引用一個(gè)變址寄存器，
          • 若采用專用變址寄存器Rx，有效地址EA = (Rx) + A
          • 若采用通用寄存器Ri，有效地址EA = (Ri) + A
          • 常用于對(duì)數(shù)組處理或字符串操作，變址寄存器存放地址修改量，形式地址A給出基本地址值(起始地址，無符號(hào)整數(shù))
          • 操作數(shù)地址變化由變址值增，減量完成
          • 尋址范圍由變址寄存器位數(shù)n決定，最大尋址空間2^n字
        • 基址尋址
          • 引用一個(gè)基址寄存器Rb，
          • 有效地址EA = (Rb) + A
          • 常用于實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)對(duì)用戶程序的動(dòng)態(tài)定位
          • 基址寄存器存放的是基本地址值，一旦設(shè)定后一般用戶不能改變
          • 操作數(shù)或指令地址變化由不同的偏移量A完成，尋址范圍由偏移量位數(shù)決定
        • 變址尋址和基址尋址的共同目標(biāo)是不必修改程序中指令，而達(dá)到修改地址碼的目的

      • 段尋址：基址尋址的一種特例，用于地址長(zhǎng)度超過機(jī)器字長(zhǎng)的場(chǎng)合

        • 基本思想：將主存空間在邏輯上劃分成若干段，一個(gè)程序可以占用多個(gè)段，對(duì)指令或操作數(shù)的訪問，需指出所在段以及段內(nèi)偏移量。與機(jī)器字長(zhǎng)相等的段地址和段內(nèi)偏移量錯(cuò)位相加，獲得更長(zhǎng)存儲(chǔ)器地址，段地址存放在專用的段地址寄存器Rs中
        • 整個(gè)段尋址過程由硬件自動(dòng)完成，對(duì)用戶透明
        • 段內(nèi)偏移量是其他尋址方式形成的有效地址EA
        • 段尋址后形成的地址就是實(shí)際的主存單元地址，即物理地址

    • 堆棧尋址：FIFO先進(jìn)后出

      • 寄存器堆棧(硬堆棧)
      • 存儲(chǔ)器堆棧(軟堆棧)：在主存開辟一塊區(qū)域，一端固定稱為棧底，另一端浮動(dòng)稱為棧頂

  • 復(fù)合尋址方式：將兩種以上尋址方式聯(lián)合起來使用即復(fù)合尋址，關(guān)鍵問題在于地址的計(jì)算順序，一般從名稱反映，先按在前的方式進(jìn)行尋址