4.1 指令系统的发展与性能要求
4.1.1 指令系统的发展
1. 指令在计算机系统中的地位
- 是软件和硬件分界面的一个主要标志,硬件设计人员采用各种手段实现它；软件设计人员则利用它编制各种各样的系统软件和应用软件
- 是硬件设计人员和软件设计人员之间的分界面，也是他们之间沟通的桥梁。
2. 指令系统的基本概念
指令： 就是要计算机执行某种操作的命令。从计算机组成的层次结构分为：
- 微指令：是微程序级的命令，它属于硬件；
- 宏指令：由若干条机器指令组成的软件指令，它属于软件；
- 机器指令：介于微指令与宏指令之间，通常简称为指令，每一条指令可完成一个独立的算术运算或逻辑运算等操作。
一台计算机中所有机器指令的集合，称为这台计算机的指令系统。 指令系统是表征一台计算机性能的重要因素，它的格式与功能不仅直接影响到机器的硬件结构，而且也直接影响到系统软件，影响到机器的适用范围。
3. 发展情况
- 复杂指令系统计算机，简称CISC。但是如此庞大的指令系统不但使计算机的研制周期变长，难以保证正确性，不易调试维护，而且由于采用了大量使用频率很低的复杂指令而造成硬件资源浪费。
- 精简指令系统计算机：简称RISC（Apple的M1），人们又提出了便于VLSI技术实现的精简指令系统计算机。
出现CISC到RISC转变的原因：，2/8现象（只有20%的指令使用率达到80%），控制器设计难度下降
4.1.2 对指令系统性能的要求
- 完备性： 完备性是指用汇编语言编写各种程序时，指令系统提供的指令足够使用，而不必用软件来实现。采用硬件指令的目的是提高程序执行速度，便于用户编写程序。
- 有效性： 有效性是指利用该指令系统所编写的程序能够高效率地运行。高效率主要表现在程序占据存储空间小、执行速度快。一般来说，一个功能更强、更完善的指令系统，必定有更好的有效性。
- 规整性： 规整性包括指令系统的对称性、匀齐性、指令格式和数据格式的一致性。
- 对称性是指：在指令系统中所有的寄存器和存储器单元都可同等对待，所有的指令都可使用各种寻址方式；
- 匀齐性是指：一种操作性质的指令可以支持各种不同的数据类型；
- 指令格式和数据格式的一致性是指：指令长度和数据长度有一定的关系，以方便处理和存取。例如指令长度和数据长度通常是字节长度的整数倍。
- 兼容性： 系列机各机种之间具有相同的基本结构和共同的基本指令集，因而指令系统是兼容的，即各机种上基本软件可以通用。
4.1.3 低级语言与硬件结构的关系
4.2 指令格式
操作码字段 地址码字段，左边为高位，右边为低位。
4.2.1 操作码
设计计算机时，对指令系统的每一条指令都要规定一个操作码。指令的操作码OP表示该指令应进行什么性质的操作。不同的指令用操作码字段的不同编码来表示，每一种编码代表一种指令。组成操作码字段的位数一般取决于计算机指令系统的规模。较大的指令系统就需要更多的位数来表示每条特定的指令，按照操作码长度分为：
- 等长：指令规整，译码简单，固定长度编码的主要缺点是：信息的冗余极大，使程序的总长度增加。
- 变长：指令不规整，译码复杂，效率高
4.2.2 地址码
根据一条指令中有几个操作数地址，可将该指令称为几操作数指令或几地址指令。
- 三地址指令：第一操作数，第二操作数，结果地址（a b=c；）
- 二地址指令：第一操作数，第二操作数，结果存在第一操作数下（a =b；），按照操作数的物理位置不同分为：
- RR：寄存器-寄存器类型
- RS：寄存器-存储器类型
- SS：存储器-存储器类型
- 单地址指令：第一操作数（a ；）
- 零地址指令：如停机、清除等控制指令
4.2.3 指令字长度
指令字长度：一条指令字包含二进制代码的位数，即操作码 地址码 机器字长：计算机能直接处理的二进制数据的位数。 按照指令字和机器字长的关系分为：单字长指令（指令字长等于机器）、半字长指令（指令字长等于半个机器）、双字长指令。
指令字长度相等的称为等长指令，随指令功能而异的称为非等长指令。
- 指令系统中指令采用等长指令的优点：各种指令字长度是相等的，指令字结构简单，且指令字长度是不变的 ；
- 采用非等长指令的的优点：各种指令字长度随指令功能而异，结构灵活，能充分利用指令长度，但指令的控制较复杂 。
op占7位，可表示的操作数有128条。
只有一行，所以是单字长指令，存在源寄存器和目标寄存器，为二地址指令，为RR型。
op占6位，可表示的操作数有64条。
有两行，所以是双字长指令，存在源寄存器和变址寄存器，为二地址指令，其中，变址寄存器和位移量用于查找主存中的地址，所以为RS型。
4.2.4 指令助记符
由于硬件只能识别1和0，所以采用二进制操作码是必要的，但是我们用二进制来书写程序却非常麻烦。 为了便于书写和阅读程序，每条指令通常用3个或4个英文缩写字母来表示。这种缩写码叫做指令助记符。
4.3 操作数类型
地址数据: 地址实际上也是一种形式的数据。（无符号） 数值数据: 计算机中普遍使用的三种类型（定点、浮点和十进制数）的数值数据。 字符数据: 文本数据或字符串，目前广泛使用ASCII码。 逻辑数据: 一个单元中有多位二进制bit项组成，每个bit的值可以是1或0。当数据以这种方式看待时，称为逻辑性数据。
4.4 指令和数据的寻址方式
4.4.1 指令寻址
4.4.2 数据寻址
一般格式：
1. 立即寻址
寻址特征为“#”，表示是立即数寻址，形式地址放的就是操作数，执行时无需访存，立即数以补码的形式表示，A的位数限制了立即数的大小。
2. 直接寻址
有效地址直接放在形式地址处，执行阶段进行一次访存，A决定了操作数的寻址范围，操作数的地址不易修改（要先找到这条指令，然后将指令上的有效地址修改，较为麻烦）
3. 隐含寻址
其中一个操作数的地址隐含在操作码中，另外一个操作数采用直接寻址的方式给出，指令字中少一个地址字段，可以缩短指令字长。
ACC（累加器）在加法中存放被加数/和，在减法中存放被减数/差，在乘法中存放乘积高位，除法中存储被除数/余数，ACC存在与ALU中。
4. 间接寻址
有效地址由形式地址间接提供,分为一次间址，和多次间址，有效地址在主存中的地址存在A中，在主存中找到有效地址后再次访存找到操作数，故执行指令需要两次访存，优点是可以扩大寻址范围（因为EA可以很长），便于编程（操作数修改方便，只要修改EA即可）。
5. 寄存器寻址
有效地址为寄存器编号，直接访问寄存器即可得到操作数，执行阶段不访存，执行速度快，并且寄存器个数有限，可以缩短指令字长。
6. 寄存器间接寻址
有效地址在寄存器中， 操作数在存储器中，执行阶段访存，便于编制循环程序。
7. 基址寻址
采用专用寄存器作基址寄存器（隐式寻址）： 计算机内专门设有一个基址寄存器BR，用户使用时不用明显指出该基址寄存器，只要由指令的寻址特征位反映出基址寻址即可。
BR 为基址寄存器,，A为偏移量，实际有效地址为基址 偏移量，可扩大寻址范围，BR 内容由操作系统或管理程序确定，在程序的执行过程中 BR 内容不变，形式地址 A 可变。用户不必考虑自己的程序存在于主存的那个空间区域，有利于多道程序设计。
问：为什么利于多道程序设计？ 用户无需考虑程序存放在主存中的哪里，只要指出哪个寄存器作为某个程序的基址寄存器即可，由操作系统或管理程序自动分配。分别用不同的寄存器表示多道程序的基址寄存器，程序执行时用户不知道程序在主存中的位置，也不可修改基址寄存器的内容，确保系统安全可靠地运行。
采用通用寄存器作基址寄存器： 在一组通用寄存器中，由用户指出哪个寄存器用来作为基址寄存器。
由用户指定哪个通用寄存器作为基址寄存器，基址寄存器的内容由操作系统确定，在程序的执行过程中 R_0 内容不变，形式地址 A 可变。
8. 变址寻址
IX 为变址寄存器（专用），通用寄存器也可以作为变址寄存器。可扩大寻址范围，IX 的内容由用户给定，在程序的执行过程中 IX 内容可变，形式地址 A 不变，便于处理数组问题。
为何便于处理数组问题？ 答：循环时只要修改寄存器中的内容即可，指令字内存放数组的首地址，只需一个指令就可以完成一次循环操作。如果采用其他的寻址方式，需要不断修改指令字中的形式地址。
9. 相对寻址
A 是相对于当前指令的位移量（可正可负，补码），A 的位数决定操作数的寻址范围，适合程序浮动，广泛用于转移指令。
浮动程序技术是指在多道程序设计的系统中，要求每道程序存放在主存的任何区域都能正确执行，甚至在执行过程中，当程序的存放区域被改变，也要求其执行不受影响。也就是说，程序可以随机地从主存的一个区域移动到另一个区域，程序被移动后仍丝毫不影响它的执行。
问：跟随指令改变地址，如何保证操作数的准确性？ 偏移量A是不停变化的，随着PC的跳转，A也相应加减，使得PC A指向的数据不变。
10. 堆栈寻址
若用 SP 表示堆栈指示器，指向栈顶，M_{sp}表示堆栈指示器指定的存储器的单元，A 表示通用寄存器
入栈操作描述为：(A)->M_{sp},(SP-1)->SP，表示先将A中的数据存入到栈顶的存储单元中，然后将SP指针向上移动（堆栈默认栈底地址高，栈顶地址底）
出栈操作描述为：(SP 1)->SP,(M_{sp})->A，表示先将指针向下移动一位，然后将其中的数据放入寄存器A中.
4.5 典型指令
4.5.1 指令的分类
- 数据传送指令：树妖实现主存和寄存器之间，或者寄存器和寄存器之间的数据传送
- 一般传送指令： MOV AX，BX
- 数据交换指令： XCHG
- 堆栈操作指令： PUSH，POP
- 运算类指令
- 算术运算指令： 定点和浮点的算术运算，大型机有向量运算指令
- 逻辑运算指令：无符号数的位操作，代码的转换、判断及运算
- 程序控制类指令
- 程序控制类指令用于控制程序的执行方向，并使程序具有测试、分析与判断的能力。
- 输入和输出指令、字符串处理指令、特权指令、其他指令
4.5.2 基本指令系统的操作
20%和80%规律：CISC中大约有20%的指令使用频率高，占据了80%的处理机时间，而有80%的不常用指令只占用处理机的20%时间。
VLSI工艺要求规整性，而大量复杂指令控制逻辑极其不规整，给VLSI工艺造成了很大的困难。
现在用微程序实现复杂指令与用简单指令组成的子程序相比，没有多大的区别。因为现在控制存储器和主存的速度差缩小。
CISC中，通过增强指令系统的功能，简化了软件，增加了硬件的复杂程度。然而指令复杂了，指令的执行时间必然加长，从而使整个系统的执行时间反而增加，因而在计算机体系结构设计中，软硬件的功能分配必须恰当
4.5.3 RISC
三大最大特点：
- 选取使用频率最高的一些简单指令，指令条数少；
- 指令长度固定，指令格式种类少，寻址方式种类少；
- 只有取数/存数两条指令访问存储器，其余指令的操作都在寄存器中进行。
